Matériaux de pièce

Groupes de matières usinées

L’industrie transformatrice des métaux produit une variété extrêmement grande de pièces usinées à partir de nombreuses matières différentes. Chaque matériau a ses propres caractéristiques qui sont influencées par les éléments d’alliage, le traitement thermique, la dureté, etc. Ceux-ci influencent à leur tour le choix de la géométrie de l’outil de coupe, de la nuance et des conditions de coupe. Pour faciliter ce choix, les matières à usiner sont divisées en six grands groupes, conformément à la norme ISO, et chaque groupe possède des propriétés uniques en termes d’usinabilité :

ISO P – Les aciers constituent le groupe de matières le plus important, allant des matières non alliées aux matières fortement alliées, en passant par les aciers coulés et les aciers inoxydables ferritiques et martensitiques. L’usinabilité est généralement bonne, mais elle varie beaucoup en fonction de la dureté, de la teneur en carbone, etc.

ISO M – Les aciers inoxydables sont des matières alliées avec une teneur en chrome de 12 % minimum. D’autres alliages peuvent inclure du nickel et du molybdène. Différentes conditions, telles que ferritique, martensitique, austénitique et austénitique-ferritique (duplex), créent une large gamme de matériaux. Les points communs de tous ces matériaux sont que les arêtes de coupe sont soumises à beaucoup de chaleur, à une usure en entaille et à des arêtes rapportées.

ISO K – Contrairement aux aciers, les fontes sont des matières à copeaux courts. Les fontes grises (GCI) et les fontes malléables (MCI) sont assez faciles à usiner, tandis que les fontes nodulaires (NCI), les fontes compactes (CGI) et les fontes à revenu non trempé (ADI) sont plus difficiles. Toutes les fontes contiennent du SiC, qui est très abrasif pour les arêtes de coupe.

ISO N – Les métaux non ferreux sont des métaux plus tendres comme l’aluminium, le cuivre, le laiton, etc. L’aluminium est très abrasif lorsqu’il a une teneur en Si de 13 %. En général, les plaquettes avec des arêtes vives ont une longue durée de vie et une vitesse de coupe élevée.

ISO S – Les superalliages réfractaires regroupent un grand nombre de matières fortement alliées à base de fer, de nickel, de cobalt et de titane. Ils sont collants, créent des arêtes rapportées, durcissent pendant le travail (écrouissage en coupe) et génèrent de la chaleur. Ils sont très semblables aux matières ISO M, mais ils sont beaucoup plus difficiles à couper et réduisent la durée de vie des arêtes des plaquettes.

ISO H – Ce groupe comprend les aciers d’une dureté comprise entre 45 et 65 HRc, ainsi que les fontes en coquille d’une dureté comprise entre 400 et 600 HB. Leur dureté rend ces matières difficiles à usiner. Ces matériaux génèrent de la chaleur à la coupe et sont très abrasifs pour l’arête de coupe.

O (Autre) : Non-ISO. Thermoplastiques, thermodurcissables, GFRP (polymère renforcé de fibre de verre/plastique), CFRP (plastique renforcé de fibre de carbone), composites à base de fibre de carbone, plastique renforcé de fibre d’aramide, caoutchouc dur, graphite (technique). Les composites sont de plus en plus utilisés dans différentes industries, en particulier dans l’aéronautique.

Classification des matières usinées à l’aide des codes MC

Il ne suffit pas de diviser les matières en six groupes différents pour pouvoir sélectionner la bonne géométrie, nuance et conditions de coupe. Les groupes de matières doivent donc être subdivisés en sous-groupes. Sandvik Coromant utilise le système de codes CMC (Classification Coromant des matières) pour identifier et décrire les matériaux provenant de différents fournisseurs, normes et marchés. Avec le système CMC, les matières sont classées en fonction de leur usinabilité et Sandvik Coromant fournit également des recommandations adaptées en matière d’outillage et de données d’usinage.

Afin de donner des recommandations encore plus précises pour améliorer la productivité, Sandvik Coromant a créé une nouvelle classification des matières. Il a une structure plus détaillée, comprend plus de sous-groupes et contient des informations distinctes sur le type, la teneur en carbone, le procédé de fabrication, le traitement thermique, la dureté, etc.

Structure du code MC

L’organisation de la classification est faite de manière à ce que la référence MC puisse représenter une variété de propriétés et de caractéristiques de la matière usinée à l’aide d’une combinaison de lettres et de chiffres.

Exemple 1

Le code P1.2.Z.AN
P est le code ISO des aciers
1 est le groupe de matières aciers non alliés
2 est le sous-groupe de matières pour la teneur en carbone >0,25 % ≤ 0,55 % C
Z est le processus de fabrication : forgé/laminé/étiré à froid
AN est le traitement thermique, recuit, fourni avec des valeurs de dureté

Exemple 2

N1.3.C.AG
N est le code ISO des métaux non ferreux
1 est le groupe de matières aluminium
3 est le sous-groupe de l’aluminium avec une teneur en Si comprise entre 1 et 13 %
C est le procédé de fabrication : coulée
AG pour le traitement thermique : vieillissement

En décrivant non seulement la composition du matériau, mais aussi le procédé de fabrication et le traitement thermique, qui influencent sans aucun doute les propriétés mécaniques, une description plus précise est disponible. Cela peut être utilisé pour générer de meilleures recommandations de conditions de coupe.

Définition de l’usinabilité

Trois facteurs principaux doivent généralement être identifiés pour déterminer l’usinabilité d’une matière, c’est-à-dire sa capacité à être usinée.

1. Classification de la matière à usiner d’un point de vue métallurgique/mécanique.
2. Géométrie de l’arête de coupe à utiliser, aux niveaux micro et macro.
3. Matériau de coupe (nuance) et ses composants propres, par ex. carbure cémenté revêtu, céramique, CBN ou PCD, etc.

Les choix ci-dessus auront la plus grande influence sur l’usinabilité de la matière. Les autres facteurs en ligne de compte sont : les conditions de coupe, les forces de coupe, le traitement thermique de la matière, la peau de surface, les inclusions métallurgiques, l’attachement de l’outil, les conditions générales d’usinage, etc.

L’usinabilité n’a pas de définition directe, contrairement aux nuances ou aux chiffres. Au sens large, il s’agit de la capacité de la matière à usiner, de l’usure qu’elle crée sur l’arête de coupe et de la formation des copeaux qui peut être obtenue. À ces égards, un acier faiblement allié au carbone est plus facile à couper que les aciers inoxydables austénitiques plus exigeants. L’acier faiblement allié est considéré comme ayant une meilleure usinabilité que l’acier inoxydable. La notion de « bonne usinabilité » est généralement synonyme d’action de coupe sans problèmes et de durée de vie de l’outil. La plupart des évaluations de l’usinabilité d’une matière donnée sont effectuées à l’aide d’essais pratiques et les résultats sont comparés à ceux d’un autre type de matière dans des conditions à peu près identiques. D’autres facteurs tels que la microstructure, la tendance au collage, la machine-outil, la stabilité, le bruit, la durée de vie de l’outil, etc., sont pris en considération.

Aciers ISO P

• Codification MC des aciers
• Aciers non alliés – P 1.1-1.5
• Aciers faiblement alliés – P 2.1-2.6
• Aciers fortement alliés – P 3.0-3.2

Qu’est-ce qu’un acier ISO P ?

• L’acier est le plus grand groupe de matières à usiner dans le domaine de l’usinage des métaux
• Les aciers peuvent être non trempés ou trempés et revenus avec une dureté commune jusqu’à 400 HB. Les aciers d’une dureté supérieure à environ 48 HRC et d’une dureté allant jusqu’à 62-65 HRC appartiennent à l’ISO H
• L’acier est un alliage dont le fer est le principal composant (à base de Fe)
• Les aciers non alliés ont une teneur en carbone inférieure à 0,8 % et sont composés uniquement de fer (Fe), sans autres éléments d’alliage
• Les aciers alliés ont une teneur en carbone inférieure à 1,7 % et contiennent des éléments d’alliage tels que le Ni, le Cr, le Mo, le V et le W
• Les aciers faiblement alliés contiennent moins de 5% d’éléments d’alliage
• Les aciers fortement alliés contiennent plus de 5% d’éléments d’alliage

Usinabilité en général

• L’usinabilité de l’acier diffère en fonction des éléments d’alliage, du traitement thermique et du procédé de fabrication (forgé, laminé, coulé, etc.)
• En général, le contrôle des copeaux est relativement facile et fluide
• Les aciers bas carbone produisent des copeaux plus longs, collants et nécessitant des arêtes de coupe vives
• Force de coupe spécifique k_c1 : 1400-3100 N/mm
• Les forces de coupe, et donc la puissance nécessaire pour les usiner, restent dans une plage limitée

Eléments d’alliage

C influence la dureté (une teneur plus élevée augmente l’usure par abrasion). Une faible teneur en carbone <0,2 % augmente l’usure par adhérence, ce qui entraîne des arêtes rapportées et une mauvaise fragmentation des copeaux.

Cr, Mo, W, V, Ti, Nb (éléments carburigènes) – augmentation de l’usure par abrasion.

O a une grande influence sur l’usinabilité ; Il forme des inclusions non métalliques, oxydiques et abrasives.

Al, Ti, V, Nb sont utilisés comme traitement à grain fin des aciers. Ils rendent l’acier plus tenace et plus difficile à usiner.

P, C, N dans la ferrite, réduit la ductilité, ce qui augmente l’usure par adhérence.

Effet positif

Le Pb dans les aciers de décolletage (point de fusion bas) réduit le frottement entre le copeau et la plaquette, réduit l’usure et améliore la fragmentation des copeaux.

Ca, Mn (+S) forment des sulfures lubrifiants mous. Une teneur élevée en S améliore l’usinabilité et la fragmentation des copeaux.

Le soufre (S) a un effet bénéfique sur l’usinabilité. De petites différences, par exemple entre 0,001 % et 0,003 %, peuvent avoir des effets importants sur l’usinabilité. Cet effet est utilisé dans les aciers de décolletage. Une teneur en soufre d’environ 0,25 % est typique. Le soufre forme des inclusions de sulfure de manganèse (MnS) mou qui forment une couche lubrifiante entre le copeau et l’arête de coupe. Le MnS améliore également la fragmentation des copeaux. Le plomb (Pb) a un effet similaire et est souvent utilisé en combinaison avec le S dans les aciers de décolletage à des concentrations d’environ 0,25 %.

À la fois positif et négatif

Si, Al, Ca forment des inclusions d’oxydes qui augmentent l’usure. Les inclusions dans l’acier ont une influence importante sur l’usinabilité, même si elles ne représentent qu’un pourcentage très faible de la composition totale. Cette influence peut être à la fois négative et positive. Par exemple, l’aluminium (Al) est utilisé pour désoxyder le fer fondu. Mais l’aluminium forme de l’alumine abrasive (Al2O3) qui a un effet néfaste sur l’usinabilité (comparer avec le revêtement d’alumine d’une plaquette). Cet effet négatif peut toutefois être contré par l’ajout de calcium (Ca), qui formera une coquille molle autour des particules abrasives.

• L’acier coulé a une structure de surface rugueuse, qui peut inclure du sable et des scories, et exige beaucoup de ténacité de l’arête de coupe
• L’acier laminé présente une granulométrie assez importante, ce qui rend la structure inégale, ce qui provoque des variations dans les forces de coupe
• L’acier forgé a une taille de grain plus petite et une structure plus uniforme, ce qui génère moins de problèmes lors de la coupe

Codification MC des aciers

Du point de vue de l’usinabilité, les aciers sont classés en aciers non alliés, faiblement alliés, fortement alliés et frittés.

Aciers non alliés – P 1.1-1.5

Définition

Dans les aciers non alliés, la teneur en carbone n’est généralement que de 0,8 %, tandis que les aciers alliés contiennent des éléments d’alliage supplémentaires. La dureté varie de 90 à 350HB. Une teneur plus élevée en carbone (>0,2 %) permet le durcissement du matériau.

Pièces communes

Les utilisations prédominantes comprennent : l’acier de construction, l’acier de construction, les produits emboutis et emboutis, l’acier pour appareils sous pression et une variété d’aciers moulés. Les utilisations générales comprennent : les essieux, les arbres, les tubes, les pièces forgées et les constructions soudées (C<0,25%).

Usinabilité

Les difficultés de fragmentation des copeaux et la tendance au collage (arêtes rapportées) nécessitent une attention particulière dans les aciers bas carbone (< 0,25 %). Des vitesses de coupe élevées et des arêtes et/ou géométries vives, avec une face de coupe positive et des nuances à revêtement mince, réduiront la tendance au collage. En tournage, il est recommandé que la profondeur de coupe reste proche ou supérieure au rayon de bec pour améliorer la fragmentation des copeaux. En général, l’usinabilité est très bonne pour les aciers trempés. Cependant, ils ont tendance à générer une usure en dépouille relativement importante au niveau des arêtes de coupe.

Aciers faiblement alliés – P 2.1-2.6

Définition

Les aciers faiblement alliés sont les matériaux les plus couramment utilisés dans l’usinage par enlèvement de copeaux. Le groupe comprend à la fois des matières tendres et trempées (jusqu’à 50 HRc).

Pièces communes

Les aciers pour récipients sous pression alliés au Mo et au Cr sont utilisés pour des températures plus élevées. Les utilisations générales comprennent : les essieux, les arbres, les aciers de construction, les tubes et les pièces forgées. Exemples de composants pour l’industrie automobile : bielles, arbres à cames, joints homocinétiques, moyeux de roue, pignons de direction.

Usinabilité

L’usinabilité des aciers faiblement alliés dépend de la teneur en alliage et du traitement thermique (dureté). Pour tous les matériaux du groupe, les mécanismes d’usure les plus courants sont l’usure en cratère et l’usure en dépouille.

Les matières trempées produisent plus de chaleur dans la zone de coupe et peuvent entraîner une déformation plastique de l’arête de coupe.

Aciers fortement alliés – P 3.0-3.2

Définition

Les aciers fortement alliés comprennent les aciers au carbone dont la teneur totale en alliages est supérieure à 5 %. Ce groupe comprend à la fois les matières tendres et les matières trempées (jusqu’à 50 HRc).

Pièces communes

Ces aciers sont généralement utilisés pour la fabrication de pièces de machines-outils, de matrices, de pièces hydrauliques, de vérins et d’outils de coupe (HSS).

Usinabilité

En général, l’usinabilité diminue avec la teneur en alliage et la dureté plus élevées. Par exemple, avec 12 à 15 % d’éléments d’alliage et une dureté allant jusqu’à 450 HB, l’arête de coupe doit avoir une bonne résistance à la chaleur pour résister à la déformation plastique.

ISO M aciers inoxydables

• Codification MC pour les aciers inoxydables
• Aciers inoxydables ferritiques et martensitiques – P5.0-5.1
• Acier inoxydable austénitique et super-austénitique – M1.0-2.0
• Acier inoxydable duplex – M 3.41-3.42

Qu’est-ce qu’un acier inoxydable ISO M ?

• Alliage dont l’élément fer (Fe) est le principal constituant
• A une teneur en chrome supérieure à 12%
• A une teneur généralement faible en carbone (C ≤ 0,05 %)
• Divers ajouts de nickel (Ni), de chrome (Cr), de molybdène (Mo), de niobium (Nb) et de titane (Ti) apportent différentes caractéristiques, telles que la résistance à la corrosion et la résistance à haute température
• Le chrome se combine avec l’oxygène (O) pour créer une couche passivante de Cr2O3 à la surface de l’acier, ce qui confère une propriété non corrosive au matériau

Usinabilité en général

L’usinabilité des aciers inoxydables diffère en fonction des éléments d’alliage, des traitements thermiques et des procédés de fabrication (forgés, coulés, etc.) En général, l’usinabilité diminue avec la teneur en alliage plus élevée, mais des matériaux d’usinage libre ou d’usinabilité améliorée sont disponibles dans tous les groupes d’aciers inoxydables.

• Matière à copeaux longs
• Le contrôle des copeaux est correct dans les matières ferritiques/martensitiques, mais il devient plus complexe dans les matières austénitiques et duplex
• Force de coupe spécifique : 1800-2850 N/mm
• L’usinage génère des forces de coupe élevées, des arêtes rapportées, de la chaleur et des surfaces écrouissées en coupe
• La structure austénitique à teneur plus élevée en azote (N) augmente la résistance et offre une certaine résistance à la corrosion, mais réduit l’usinabilité, tandis que l’écrouissage par déformation augmente
• Des ajouts de soufre (S) sont utilisés pour améliorer l’usinabilité
• Une teneur élevée en C (>0,2 %) entraîne une usure en dépouille relativement importante
• Mo et N réduisent l’usinabilité. Cependant, ils offrent une résistance aux attaques acides et contribuent à la résistance aux températures élevées
• SANMAC (nom commercial Sandvik) est un matériau dont l’usinabilité est améliorée grâce à l’optimisation de la part volumique des sulfures et des oxydes sans sacrifier la résistance à la corrosion

Codification MC pour les aciers inoxydables

Identification du groupe de matières de la pièce

La microstructure d’un acier inoxydable dépend principalement de sa composition chimique, dans laquelle les principaux composants de l’alliage, le chrome (Cr) et le nickel (Ni), sont les plus importants (voir diagramme). En réalité, la variation peut être importante en raison de l’influence d’autres composants de l’alliage qui s’efforcent de stabiliser soit l’austénite, soit la ferrite. La structure peut également être modifiée par traitement thermique ou, dans certains cas, par travail à froid. Les aciers inoxydables ferritiques ou austénitiques à durcissement par précipitation ont une résistance à la traction accrue.

Aciers austénitiques

Aciers austénitiques-ferritiques (duplex)

Aciers ferritiques au chrome

Aciers martensitiques au chrome

Aciers inoxydables ferritiques et martensitiques – P5.0-5.1

Définition

Du point de vue de l’usinabilité, les aciers inoxydables ferritiques et martensitiques sont classés dans la catégorie ISO P. La teneur normale en Cr est de 12 à 18 %. Seuls de petits ajouts d’autres éléments d’alliage sont présents.

Les aciers inoxydables martensitiques ont une teneur en carbone relativement élevée, ce qui les rend durcissables. Les aciers ferritiques ont des propriétés magnétiques. La soudabilité est faible pour les ferritiques et les martensitiques et la résistance à la corrosion est moyenne à faible, et elle augmente avec une teneur en Cr plus élevée.

Pièces communes

Souvent utilisé dans des applications qui imposent des exigences limitées en matière de résistance à la corrosion. Le matériau ferritique est relativement peu coûteux en raison de sa teneur limitée en Ni. Exemples d’applications : arbres de pompes, turbines, turbines à vapeur et à eau, écrous, boulons, chauffe-eau, industries de la pâte à papier et de la transformation des aliments en raison des exigences moindres en matière de résistance à la corrosion.

Les aciers martensitiques peuvent être trempés et sont utilisés pour les bords dans l’acier de coutellerie, les lames de rasoir, les instruments chirurgicaux, etc.

Usinabilité

En général, l’usinabilité est bonne et très similaire à celle des aciers faiblement alliés. C’est pourquoi il est classé dans la catégorie ISO P. Une teneur élevée en carbone (>0,2 %) permet le durcissement du matériau. L’usinage crée une usure en dépouille et en cratère avec des arêtes rapportées. Les nuances et géométries ISO P donnent de bons résultats.

Acier inoxydable austénitique et super-austénitique – M1.0-2.0

Définition

Les aciers austénitiques constituent le premier groupe d’aciers inoxydables ; la composition la plus courante est de 18 % de Cr et 8 % de Ni (p. ex. aciers 18/8, type 304). Un acier avec une meilleure résistance à la corrosion est créé en ajoutant 2 à 3% de molybdène, qui est souvent appelé « acier à l’épreuve des acides » (type 316). Le groupe MC comprend également des aciers inoxydables super-austénitiques avec une teneur en Ni supérieure à 20 %. Les aciers durcisseurs par précipitation (PH) austénitiques ont une structure austénitique à l’état traité thermiquement et ont une teneur en Cr de >16 % et une teneur en Ni de >7 %, avec environ 1 % d’aluminium (Al). Un acier durci par précipitation typique est un acier à pH 17/7.

Pièces communes

Utilisé dans les pièces où une bonne résistance à la corrosion est requise. Très bonne soudabilité et bonnes propriétés à haute température. Les applications comprennent : les industries chimiques, de la pâte à papier et de la transformation des aliments, ainsi que les collecteurs d’échappement pour les avions. Les bonnes propriétés mécaniques sont améliorées par le travail à froid.

Usinabilité

L’écrouissage en coupe produit des surfaces dures et des copeaux durs, ce qui entraîne une usure en entaille. Il crée également une adhérence et produit des arêtes rapportées (BUE). Son usinabilité relative est de 60 %. La trempe peut arracher le revêtement et le substrat du bord, ce qui entraîne l’écaillage et un mauvais état de surface. L’austénite produit des copeaux durs, longs et continus, difficiles à briser. L’ajout de S améliore l’usinabilité mais réduit la résistance à la corrosion. Utiliser des arêtes vives avec une géométrie positive. Couper sous la couche écrouie. Profondeur de coupe constante. Génère beaucoup de chaleur lors de l’usinage.

Acier inoxydable duplex – M 3.41-3.42

Définition

En ajoutant du Ni à un acier inoxydable ferritique à base de Cr, une structure de base mixte / matrice sera formée, contenant à la fois de la ferrite et de l’austénite. C’est ce qu’on appelle un acier inoxydable duplex. Les matériaux duplex ont une résistance élevée à la traction et maintiennent une résistance à la corrosion très élevée. Des désignations telles que super-duplex et hyper-duplex indiquent une teneur plus élevée en éléments d’alliage et une résistance à la corrosion encore meilleure. Les aciers duplex ont une teneur en Cr comprise entre 18 et 28 % et une teneur en Ni comprise entre 4 et 7 % et produiront une part ferritique de 25 à 80 %. La phase ferrite et austénite sont généralement présentes à température ambiante à 50-50% respectivement.

Pièces communes

Utilisé dans les machines pour les industries chimiques, alimentaires, de la construction, médicales, de la cellulose et de la fabrication du papier, ainsi que dans les processus qui incluent des acides ou du chlore. Souvent utilisé pour les équipements liés à l’industrie pétrolière et gazière off-shore.

Usinabilité

L’usinabilité relative est généralement médiocre (30 %) en raison de la limite d’élasticité élevée et de la résistance à la traction. Une teneur plus élevée en ferrite, supérieure à 60%, améliore l’usinabilité. L’usinage produit des copeaux résistants qui peuvent provoquer un martèlement des copeaux et créer des forces de coupe élevées. Génère beaucoup de chaleur pendant la coupe, ce qui peut provoquer une déformation plastique et une usure en cratère sévère.

De petits angles d’attaque sont préférables pour éviter l’usure en entaille et la formation de bavures. La stabilité du serrage des outils et de la fixation des pièces est essentielle.

ISO K fontes

• Codification MC pour les fontes
• Fontes malléables (MCI) K 1.1-1.2 et fontes grises K 2.1-2.3
• Fonte nodulaire (NCI) K 3.1-3.5
• Fonte graphite compactée (CGI) K 4.1-4.2
• Fonte ductile bainitique (ADI) K 5.1- 5.3

Qu’est-ce que la fonte ISO K ?

Il existe 5 principaux types de fontes :

• Fonte grise (GCI)
• Fonte malléable (MCI)
• Fonte nodulaire (NCI)
• Fonte à graphite compacté (CGI)
• Fontes ductiles bainitiques (ADI)

Les fontes sont composées de Fe et de C avec un pourcentage relativement élevé de Si (1-3 %). La teneur en carbone est supérieure à 2 %, ce qui correspond à la solubilité maximale du C en phase austénitique. Cr (chrome), Mo (molybdène) et V (vanadium) forment des carbures qui augmentent la résistance et la dureté, mais réduisent l’usinabilité.

Usinabilité en général

• Matériau à copeaux courts avec un bon contrôle des copeaux dans la plupart des conditions. Force de coupe spécifique : 790 – 1350 N/mm
• L’usinage à des vitesses plus élevées, en particulier dans les fontes contenant des inclusions de sable, crée une usure par abrasion
• Le NCI, le CGI et l’ADI nécessitent une attention particulière en raison des propriétés mécaniques différentes et de la présence de graphite dans la matrice, par rapport au GCI normal
• Les fontes sont souvent usinées avec des plaquettes négatives car celles-ci offrent des arêtes résistantes et des applications sûres
• Les substrats carbure doivent être durs et les revêtements doivent être à base d’oxyde d’aluminium épais pour une bonne résistance à l’usure par abrasion
• Les fontes sont traditionnellement usinées à sec, mais peuvent également être utilisées dans des conditions humides, principalement pour réduire au minimum la contamination par la poussière de carbone et de fer. Il existe également des nuances adaptées aux applications avec arrosage

Influence de la dureté

• L’influence de la dureté liée à l’usinabilité des fontes suit les mêmes règles que pour tout autre matériau
• Par exemple, ADI (fonte ductile bainitique) et CGI (fonte à graphite compacté) ainsi que NCI (fonte nodulaire) ont des duretés allant jusqu’à 300-400 HB
• HB. MCI et GCI en moyenne 200-250 HB
• La fonte blanche peut atteindre une dureté supérieure à 500 HB à des vitesses de refroidissement rapides où le carbone réagit avec le fer pour former un carbure Fe3C (cémentite), au lieu d’être présent sous forme de carbone libre. Les fontes blanches sont très abrasives et difficiles à usiner

Codification MC pour les fontes

Du point de vue de l’usinabilité, les fontes sont classées en deux catégories : fontes malléables, grises, nodulaires, fontes à graphite compacté (CGI) et fontes ductiles à revenu non trempé (ADI). Certaines des duretés les plus élevées se trouvent dans les fontes nodulaires et les DJA.

Le traitement thermique austrempe convertit la fonte ductile (NCI) en fonte ductile bainitique (ADI).

Fontes malléables (MCI) K 1.1-1.2 et fontes grises K 2.1-2.3

Définition

La fonte malléable est produite à partir d’une matrice proche de la fonte blanche, qui est ensuite traitée thermiquement en deux étapes, produisant une structure ferrite + perlite + carbone revenu, conduisant à des grains de graphite irréguliers par rapport à la structure lamellaire plus fracturante de la fonte grise. Cela signifie que le matériau malléable est moins sensible à la fissuration et que ses valeurs de résistance à la rupture et d’allongement sont plus élevées.

La fonte grise a la forme typique de graphite en flocons, et les principales caractéristiques sont : faible résistance aux chocs (comportement fragile) ; bonne conductivité thermique, moins de chaleur lorsque le moteur tourne et peu de chaleur dans le processus de coupe ; Bonnes propriétés antivibratoires, absorbe les vibrations dans le moteur.

Pièces communes

Les composants fabriqués à partir de MCI comprennent : les roulements d’essieux, les roues de chenille, les raccords de tuyauterie et les engrenages à haute résistance. Les composants fabriqués à partir de GCI comprennent : les poêles à frire, les blocs-moteurs, les cylindres pour compresseurs, les engrenages et les carters de boîtes de vitesses.

Usinabilité

La fonte malléable a une résistance à la traction plus élevée que la fonte GCI et ressemble à la NCI en termes d’usinabilité, mais les deux ont généralement d’excellentes propriétés d’usinage. En général, les fontes avec une structure perlitique augmentent l’usure par abrasion, tandis que les structures ferritiques augmentent l’usure par adhérence.

La fonte grise a une faible résistance aux chocs, génère de faibles forces de coupe et l’usinabilité est très bonne. L’usure n’est créée au cours du processus de coupe que par abrasion ; Il n’y a pas d’usure chimique. La fonte grise est souvent alliée au Cr afin d’améliorer ses propriétés mécaniques. Une résistance plus élevée entraîne une réduction de l’usinabilité.

Fonte nodulaire (NCI) K 3.1-3.5

Définition

La fonte nodulaire a un graphite de forme sphérique, et les principales caractéristiques sont une bonne rigidité (module de Young) ; bonne résistance aux chocs = matériau dur, pas cassant ; bonne résistance à la traction ; mauvaises propriétés d’amortissement, n’absorbe pas les vibrations dans le moteur ; mauvaise conductivité thermique, chaleur plus élevée dans le processus de coupe. Par rapport au GCI, le graphite contenu dans le NCI se présente sous forme de nodules, ce qui contribue à une plus grande résistance à la traction et à une plus grande ténacité.

Pièces communes

Moyeux, tubes, rouleaux, collecteurs d’échappement, vilebrequins, boîtiers de différentiels, bouchons de roulements, collecteurs d’échappement, plaques de base, carters de turbocompresseurs, disques d’embrayage et volants moteurs.

Les carters de turbocompresseurs et les collecteurs d’échappement sont souvent en fonte alliée SiMo, plus résistante à la chaleur.

Usinabilité

Les fontes nodulaires ont une forte tendance à former des arêtes rapportées. Cette tendance est plus marquée pour les matières NCI plus tendres avec des teneurs ferritiques plus élevées. Lors de l’usinage de pièces à forte teneur ferritique et avec des coupes interrompues, l’usure par adhérence est souvent le mécanisme d’usure dominant. Cela peut causer des problèmes d’écaillage du revêtement.

Le problème d’adhérence est moins prononcé avec les matériaux NCI plus durs qui ont une teneur en perlitique plus élevée. Dans ce cas, l’usure par abrasion et/ou la déformation plastique sont plus susceptibles de se produire.

Fonte graphite compactée (CGI) K 4.1-4.2

Définition

Le CGI est un matériau qui peut répondre aux exigences croissantes en matière de résistance et de réduction du poids tout en conservant une usinabilité raisonnable. Les caractéristiques thermiques et d’amortissement du CGI se situent entre NCI et GCI. La résistance à la fatigue des métaux est deux fois supérieure à celle de la fonte grise. Les particules de graphite en CGI sont allongées et orientées de manière aléatoire, comme dans la fonte grise, mais elles sont plus courtes, plus épaisses et ont des bords arrondis. La morphologie corallienne du CGI, ainsi que les bords arrondis et les surfaces irrégulières et bosselées des particules de graphite, assurent une forte adhérence entre le graphite et la matrice de fer. C’est la raison pour laquelle les propriétés mécaniques sont tellement améliorées en CGI par rapport à la fonte grise. Les images de synthèse avec une teneur en perlitique inférieure à 90 % sont les plus courantes.

Pièces communes

CGI convient bien à la fabrication de moteurs, où l’on a besoin de matériaux plus légers, plus résistants et capables d’absorber plus de puissance. Le poids du bloc moteur à lui seul peut être réduit d’environ 20 % par rapport à un bloc en GCI. Les culasses et les freins à disque en sont d’autres exemples.

Usinabilité

Du point de vue de l’usinabilité, la fonte à graphite compacté se situe entre la fonte grise et la fonte nodulaire. Avec une résistance à la traction deux à trois fois supérieure à celle des fontes grises et une conductivité thermique plus faible, l’usinage du CGI génère des forces de coupe plus élevées et plus de chaleur dans la zone de coupe. Une teneur accrue en titane dans le matériau CGI a un effet négatif sur la durée de vie de l’outil.

Les opérations d’usinage les plus courantes sont le surfaçage et l’alésage de cylindres. Au lieu de l’alésage de cylindres, le fraisage circulaire peut améliorer la durée de vie de l’outil et la productivité.

Fonte ductile bainitique (ADI) K 5.1- 5.3

Définition

Les fontes ductiles bainitiques forment une famille de fontes traitées thermiquement. Le traitement thermique austempering convertit la fonte ductile en fonte ductile bainitique (ADI), dont les caractéristiques comprennent d’excellentes caractéristiques de résistance, de ténacité et de fatigue. ADI est plus résistant à l’unité de poids que l’aluminium et à l’usure que l’acier. Les valeurs de résistance à la traction et à la limite d’élasticité sont deux fois plus élevées que pour les fontes ductiles standard. La résistance à la fatigue est 50% plus élevée et peut être améliorée par grenaillage de précontrainte ou laminage de congés.

Pièces communes

Les pièces moulées ADI remplacent de plus en plus les pièces forgées et coulées en acier, les fabrications soudées, l’acier cémenté et l’aluminium en raison de leurs performances supérieures. Ses principales utilisations sont dans l’industrie automobile, où il est utilisé pour les pièces de suspension et de transmission, etc. Il est également utilisé dans les secteurs de l’électricité et de l’énergie ainsi que dans les secteurs de l’exploitation minière et de la construction.

Usinabilité

On peut s’attendre à une réduction de 40 à 50 % de la durée de vie des outils par rapport à la NCI. La résistance à la traction et la ductilité de l’ADI sont proches de celles de l’acier, mais le processus de formation des copeaux classe l’ADI dans la catégorie des fontes ductiles (formation des copeaux segmentés). La micro-dureté de l’ADI est supérieure à celle d’aciers de dureté comparable. Les grades ADI supérieurs contiennent des particules dures dans la microstructure. Les charges thermiques et mécaniques élevées, dues à une résistance et une ductilité élevées, concentrent l’usure près de l’arête de coupe en raison du processus de formation des copeaux segmenté, et l’usure de la coupe supérieure. La trempe lors de la formation des copeaux entraîne des forces de coupe dynamiques élevées. La température de l’arête de coupe est un facteur important pour déterminer l’usure.

ISO N - Matières non ferreuses

Que sont les matières non ferreuses ISO N ?

• Ce groupe contient les métaux non ferreux d’une dureté inférieure à 130 HB, à l’exception des bronzes à haute résistance (>225HB)
• Les alliages d’aluminium (Al) contenant moins de 12 à 13 % de silicium (Si) représentent la plus grande part
• MMC : Composite à matrice métallique : Al + SiC (20-30%)
• Alliages à base de magnésium
• Cuivre : cuivre électrolytique à 99,95 % de Cu
• Bronze : cuivre avec étain (Sn) (10-14%) et/ou aluminium (3-10%)
• Laiton : cuivre (60-85%) avec zinc (Zn) (40-15%)

Usinabilité de l’aluminium

• Matière à copeaux longs
• Contrôle des copeaux relativement facile si allié
• L’aluminium pur est collant et nécessite des arêtes de coupe vives et une valeur v _c élevée
• Force de coupe spécifique : 350–700 N/mm
• Les forces de coupe, et donc la puissance nécessaire pour les usiner, sont faibles
• Ces matières peuvent être usinées avec des nuances carbure à grain fin non revêtues lorsque la teneur en Si est inférieure à 7-8 % et avec des nuances à insert PCD pour l’aluminium avec une teneur en Si plus élevée
• L’excès d’aluminium eutectique avec une teneur en Si plus élevée > 12% est très abrasif

Pièces communes

Blocs moteurs, culasses, carters de transmission, pièces structurelles aéronautiques.

Codification MC pour les matières N

ISO S, superalliages réfractaires et titane

• Codification MC pour les matières S
• Matières en superalliages réfractaires – S 1.0-3.0
• Titane– S 4.1-4.4

Qu’est-ce que les superalliages réfractaires ISO S et le titane ?

• Le groupe ISO S se divise en superalliages réfractaires (superalliages réfractaires) et titane
• Les superalliages réfractaires peuvent être divisés en trois groupes : alliages à base de nickel, à base de fer et à base de cobalt
• Condition : recuit, traité thermiquement en solution, vieilli, laminé, forgé, coulé
• Propriétés : teneur accrue en alliage (Co plus que Ni), meilleure résistance à la chaleur, résistance à la traction et résistance à la corrosion

Usinabilité en général

= Aciers inoxydables

= Traité thermiquement (vieilli)

= Traitement en solution (recuit)

• Les propriétés physiques et le comportement d’usinage de chacun varient considérablement, tant en raison de la nature chimique de l’alliage que du traitement métallurgique précis qu’il subit lors de sa fabrication
• Le recuit et le vieillissement ont une influence particulière sur les propriétés ultérieures de l’usinage
• Contrôle des copeaux difficile (copeaux fragmentés)
• Force de coupe spécifique : 2400–3100 N/mm pour les superalliages réfractaires et 1300–1400 N/mm pour le titane
• Les forces de coupe et la puissance requise sont relativement élevées

Vieillissement

Pour obtenir une plus grande résistance, les alliages réfractaires peuvent être durcis par précipitation.

En traitant le matériau à des températures élevées, c’est-à-dire en effectuant un traitement de vieillissement, de petites particules intermétalliques sont précipitées dans l’alliage. Ces particules entraveront le mouvement dans la structure cristalline et, par conséquent, le matériau sera plus difficile à déformer.

Codification MC pour les matières S

Du point de vue de l’usinabilité, les aciers réfractaires sont classés en deux catégories : à base de fer, de nickel et de cobalt. Le titane est divisé en alliages alpha et quasi-alpha commercialement purs, alliages alpha/bêta et alliages bêta.

Matières en superalliages réfractaires – S 1.0-3.0

Définition

Matériaux très résistants à la corrosion qui conservent leur dureté et leur résistance à des températures plus élevées. Le matériau est utilisé jusqu’à 1000°C et est durci par un processus de vieillissement.

• La version à base de nickel est la plus utilisée - plus de 50% du poids d’un moteur d’avion. Les matériaux durcis par précipitation comprennent : Inconel 718, 706 Waspalloy, Udimet 720. Les solutions renforcées (non durcissables) comprennent : Inconel 625
• Les matériaux à base de fer évoluent à partir des aciers inoxydables austénitiques et ont les propriétés de résistance à chaud les moins bonnes : Inconel 909 Greek Ascolloy et A286
• Les matériaux à base de cobalt ont les meilleures performances à chaud et la meilleure résistance à la corrosion, et sont principalement utilisés dans l’industrie médicale : Haynes 25 (Co49Cr20W15Ni10), Stellite 21, 31
• Principaux éléments d’alliage des superalliages réfractaires
  Ni : stabilise la structure métallique et les propriétés du matériau à haute température
  Co, Mo, W : augmenter la résistance à des températures élevées
  Cr, Al, Si : améliorent la résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température
  C : augmente la résistance au fluage

Pièces communes

Moteurs et turbines à gaz de puissance pour l’aéronautique dans les sections de combustion et de turbine, applications marines pétrolières et gazières, implants d’articulations médicales, applications à haute résistance à la corrosion.

Usinabilité

La difficulté de l’usinabilité des superalliages réfractaires augmente selon l’ordre suivant : matières à base de fer, matières à base de nickel et matières à base de cobalt. Tous les matériaux ont une résistance élevée à haute température et produisent des copeaux segmentés pendant la coupe, ce qui crée des forces de coupe élevées et dynamiques.

Une mauvaise conductivité thermique et une dureté élevée génèrent des températures élevées pendant l’usinage. Les propriétés élevées de résistance, d’écrouissage en coupe et d’écrouissage par adhérence créent une usure en entaille à une profondeur de coupe maximale et un environnement extrêmement abrasif pour l’arête de coupe.

Les nuances carbure doivent avoir une bonne ténacité d’arête et une bonne adhérence du revêtement au substrat pour offrir une bonne résistance à la déformation plastique. En général, il est préférable d’utiliser des plaquettes avec un grand angle d’attaque (plaquettes rondes) et de sélectionner une géométrie de plaquette positive. En tournage et fraisage, il est possible d’utiliser des nuances céramique en fonction de l’application.

Titane– S 4.1-4.4

Définition

Les alliages de titane peuvent être divisés en quatre classes, en fonction des structures et des éléments d’alliage présents.

• Titane pur non traité
• Alliages alpha – avec des ajouts d’Al, d’O et/ou de N
• Alliages bêta – ajouts de Mb, Fe, V, Cr et/ou Mn
• Alliages mixtes a+ß, dans lesquels un mélange des deux classes est présent

Les alliages mixtes α+β, de type Ti-6Al-4V, représentent la majorité des alliages de titane actuellement utilisés, principalement dans le secteur aérospatial, mais aussi dans les applications à usage général. Le titane a un rapport résistance/poids élevé, avec une excellente résistance à la corrosion à 60% de la densité de l’acier. Cela permet de concevoir des parois plus minces.

Pièces communes

Le titane peut être utilisé dans des environnements très difficiles, ce qui pourrait provoquer des attaques de corrosion considérables sur la plupart des autres matériaux de construction. Cela est dû à l’oxyde de titane, TiO2, qui est très résistant et recouvre la surface d’une couche d’environ 0,01 mm d’épaisseur. Si la couche d’oxyde est endommagée et qu’il y a de l’oxygène disponible, le titane reconstruit immédiatement l’oxyde. Convient pour les échangeurs de chaleur, les équipements de dessalage, les pièces de moteurs à réaction, les trains d’atterrissage et les pièces structurelles dans le domaine aéronautique.

Usinabilité

L’usinabilité des alliages de titane est médiocre comparée aux aciers généraux et aux aciers inoxydables, ce qui impose des exigences particulières aux outils de coupe. Le titane a une mauvaise conductivité thermique ; La résistance est maintenue à haute température, ce qui génère des forces de coupe élevées et de la chaleur au niveau de l’arête de coupe. Les copeaux fins et cisaillés, avec une tendance au grippage, forment une surface de contact étroite sur la face de coupe, générant des forces de coupe concentrées à proximité de l’arête de coupe. Une vitesse de coupe trop élevée produit une réaction chimique entre le copeau et le matériau de coupe qui peut provoquer l’écaillage ou la rupture soudaine de la plaquette. Les matériaux de coupe doivent avoir une bonne dureté à chaud, une faible teneur en cobalt et ne pas réagir avec le titane. On utilise généralement du carbure à grain fin non revêtu. Choisir une géométrie positive/ouverte avec une bonne ténacité d’arête.

ISO H aciers trempés

Que sont les aciers trempés ISO H ?

• Ce groupe de matières comprend des aciers trempés et revenus avec des duretés >45 – 68 HRC
• Les aciers courants comprennent l’acier de cémentation (~60 HRc), l’acier à roulement à billes (~60 HRc) et l’acier à outils (~68 HRc). Les types de fontes dures comprennent la fonte blanche (~50 HRc) et l’ADI/Kymenite (~40 HRc). L’acier de construction (40–45 HRc), l’acier Mn et différents types de revêtements durs, à savoir la stellite, l’acier P/M et le carbure cémenté appartiennent également à ce groupe
• En général, le tournage dur se situe dans la plage 55–68 HRC

Usinabilité

• Les aciers trempés constituent le plus petit groupe du point de vue de l’usinage et la finition est l’opération d’usinage la plus courante. Force de coupe spécifique : 2550–4870 N/mm. L’opération donne généralement un bon contrôle des copeaux. Les forces de coupe et la puissance requise sont relativement élevées
• Le matériau de coupe doit avoir une bonne résistance à la déformation plastique (dureté à chaud), une bonne stabilité chimique (à haute température), une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à l’usure par abrasion. Le CBN possède ces caractéristiques et permet le tournage au lieu de la rectification
• On utilise aussi des céramiques mixtes ou renforcées de moustaches en tournage lorsque la pièce a des exigences modérées en matière d’état de surface et que la dureté est trop élevée pour le carbure
• Le carbure cémenté domine dans les applications de fraisage et de perçage et s’utilise jusqu’à environ 60 HRc

Pièces communes

Les composants typiques sont : les arbres de transmission, les carters de boîtes de vitesses, les pignons de direction, les matrices d’emboutissage.

Codification MC pour les aciers trempés