Les processus de fabrication toujours plus exigeants provoquent une usure excessive des outils et de l’outillage, et rendent nécessaire la recherche de moyens capables d’atténuer cette détérioration tout en garantissant un haut niveau d’efficacité. Pour résoudre ce problème, des revêtements sont conçus pour retarder, notamment, l’usure abrasive, thermique ou chimique, et pour obtenir une meilleure qualité des opérations et améliorer les conditions du processus.
Très concrètement, un revêtement PVD est une fine couche de céramique de quelques microns d’épaisseur, d’une dureté exceptionnelle, qui est déposée sur des substrats en vue de les doter de propriétés capables de compenser ses faiblesses, qu’elles soient fonctionnelles ou décoratives. La rugosité est faible à condition que la finition du substrat soit elle aussi adéquate. Elle est d’environ 0,04 Ra- 0,15 Ra, et peut être inférieure dans des cas exceptionnels.
Les propriétés que procurent le revêtement dépendent dans le tous cas du type, en termes de structure, matériel ou épaisseur, ainsi que des traitements appliqués à la surface avant et après son dépôt. Les traitements et le type de revêtement doivent être choisis après un examen rigoureux de l’application à laquelle les substrats sont destinés, de sorte que les caractéristiques obtenues ne seront généralement pas les mêmes.
Les propriétés qui peuvent être améliorées sont en général les suivantes : mécaniques, physiques, tribologiques, chimiques, électriques, optiques et/ou biologiques.
Il est essentiel de savoir que le revêtement a un effet multiplicateur, c’est-à-dire qu’il améliore les performances de l’outil, mais s’il n’est pas en bon état, sa contribution sera limitée.
Les applications des revêtements sont nombreuses tant en termes d’opérations que de secteurs. Dans le cas des opérations, les grands groupes sont les outils de coupe, les outils de déformation, l’injection et les composants. Alors que dans les secteurs, nous pourrions citer le ferroviaire, l’automobile, l’aérospatial, le biomédical, la construction… Les revêtements ne sont pas limités à un champ d’application donné, car il existe plusieurs domaines qui peuvent bénéficier des avantages qu’ils apportent.
Les caractéristiques que l’on peut contrôler dans un revêtement PVD sont nombreuses, mais les suivantes sont les plus courantes et les plus importantes :
Épaisseur. La valeur idéale de ce paramètre dépend une fois de plus de l’application à laquelle le support est destiné. Dans le cas des micro-outils, le dépôt de grandes couches peut entraîner une perte de tolérance pendant le fonctionnement, tandis que dans l’emboutissage, une épaisseur de couche élevée est toujours utile.
Adhérence. Si cette propriété fait défaut, l’effet positif du revêtement peut en être annulé. En général, on applique des couches d’adhérence et des traitements de surface pour réduire les possibilités de ce type de défaillance.
Stabilité thermique. Dans le cadre d’opérations présentant une génération de chaleur élevée, il est nécessaire d’assurer la préservation des propriétés du revêtement à haute température et d’éviter sa dégradation prématurée.
Stabilité chimique. Pour des processus dans lesquels le matériau de l’outil peut interagir avec le matériau à usiner, il s’agit d’un facteur à contrôler, afin d’éviter les phénomènes d’adhérence du matériau de travail à l’outil. Application pour réduire les problèmes liés à l’oxygène, les composants chimiques, les métaux fondus, etc.
Rugosité. Étroitement liée au coefficient de frottement et donc à l’usure par abrasion. Dans les outils de coupe, il est généralement préférable qu’elle soit faible, alors que dans d’autres cas, une certaine rugosité est nécessaire.
Isolation thermique. En règle générale, elle doit être élevée, afin d’éviter que la chaleur ne soit absorbée par le matériau de support, en particulier lors du travail à haute température.
Dureté. Étroitement liée à l’usure par abrasion, mais aussi souvent à la fragilité. Encore une fois, la valeur idéale doit être recherchée pour chaque opération.
Résistance à l’oxydation et à la corrosion. Il faut à tout prix éviter la détérioration de l’outil dans des environnements agressifs ou à des températures élevées.
Tensions résiduelles. Pour éviter la fatigue superficielle subie par le revêtement en présence de charges discontinues. Un certain niveau de contraintes de compression est utile, mais une valeur excessive peut limiter l’épaisseur admissible.
Les sigles PVD proviennent de Physical Vapour Deposition, ou en français, dépôt physique en phase vapeur. Les revêtements MEX sont réalisés selon ce procédé, qui est le plus performant selon la part de marché croissante et les innovations introduites au cours des 20 dernières années. Pendant le processus, les cibles sont chauffées par un arc électrique guidé par un champ magnétique. La température s’élève à un point tel qu’une partie des particules de la cathode solide se sublime, s’évaporant ainsi dans la chambre sous vide. Ces particules hautement ionisées sont dirigées vers les substrats grâce à l’application d’un potentiel entre les cibles (cathode) et les substrats (anodes) à travers un plasma sous vide, où elles réagissent avec le gaz présent dans la chambre jusqu’à obtenir la composition souhaitée.
Au cours du processus, une température maximale d’environ 500 ºC est atteinte. Il est donc fortement recommandé que tous les substrats à revêtir aient préalablement subi un traitement thermique à une température supérieure à 500 ºC ainsi qu’une relaxation des contraintes.
UN REVÊTEMENT POUR CHAQUE APPLICATION
Il est essentiel d’utiliser le revêtement le plus adapté à chaque application. C’est pourquoi il est important de suivre les conseils d’un expert technique qui connaît en profondeur les revêtements, leurs propriétés et l’utilisation à laquelle ils sont destinés.
Pour formuler une recommandation pertinente, il est nécessaire de disposer du maximum d’informations sur les conditions de travail du revêtement. Les caractéristiques fondamentales à prendre en compte sont : le type et le matériau de l’outil, le type d’opération, le matériau à usiner, le type de lubrification et les éventuelles conditions spéciales (haute vitesse, taux d’enlèvement élevé, températures élevées…). Il est également utile de connaître le type d’usure subie par l’outil non revêtu ainsi que le critère de durée de vie de celui-ci.
Une option proposée par Metal Estalki grâce à l’accès à des laboratoires prestigieux est l’analyse des outils usés afin d’identifier les causes de défaillance et d’étudier les possibilités d’amélioration.
INFLUENCE DE L’ÉTAT DES OUTILS AVANT LE REVÊTEMENT
Un autre facteur influençant la performance des revêtements est l’état des outils avant l’application du revêtement. Metal Estalki recommande les points suivants :
DÉCAPAGE ET ACCUMULATION DES COUCHES
L’accumulation excessive de couches après plusieurs réaffûtages peut provoquer des éclatements qui réduisent les performances de l’outil. C’est pourquoi il est nécessaire d’analyser l’outil pour déterminer si un décapage des revêtements précédents est nécessaire.
OPÉRATIONS DE PRÉ- ET POST-TRAITEMENTS
Pour optimiser l’utilisation du revêtement, il est conseillé de préparer les arêtes de coupe. Chaque outil possède un rayon et une rugosité de surface optimaux pour le revêtement. Il est recommandé de consulter un expert technique afin de déterminer si un traitement des surfaces avant et/ou après le revêtement est nécessaire.
LIMITATIONS DU PROCESSUS DE REVÊTEMENT PVD
Comme tout procédé, le revêtement PVD présente également certaines restrictions, qui sont les suivantes :
La seule condition pour recouvrir un substrat est que la température du dernier traitement thermique subi par ce dernier soit supérieure à la température de traitement, qui ne doit dépasser en aucun cas 500 ºC. Un relâchement préalable des tensions est recommandé, bien qu’en général les écarts soient négligeables. Il est possible de revêtir la plupart des aciers à outils, mais ils doivent être revenus au préalable à au moins 500 ºC (de préférence 550 ºC en trois revenus). Tous les aciers rapides, les aciers pour travail à chaud et les aciers de métallurgie des poudres, ainsi que les aciers de nitruration et les métaux durs peuvent être revêtus. La plupart des aciers destinés à des moules en plastique sont également adaptés, et tous sont admissibles au CrN, dont le cycle est à une température inférieure. Les aciers inoxydables, bien que certains nécessitent des procédés spéciaux, peuvent être pour la plupart revêtus à la température traditionnelle. Par ailleurs, des problèmes se présentent lorsqu’il s’agit de revêtir certains aciers de cémentation et de travail à froid. Dans le cas de matériaux hors de la norme standard, il est conseillé de se renseigner avant de procéder à l’application du revêtement.
D’autres facteurs doivent être pris en compte lorsqu’il s’agit d’outils en acier avec une plaque soudée en métal dur. Le matériau de soudage doit présenter un point de fusion supérieur à 600 ºC et être exempt de Zn et de Cd, en raison du risque de contamination grave des zones de travail. Il en va de même pour les fissures qui sont non seulement indésirables pour des raisons mécaniques, mais sont aussi des zones où s’accumulent des contaminants et agissent donc au détriment de l’adhérence. De plus, il est conseillé de favoriser le relâchement des tensions avant l’application du revêtement.
Pour un revêtement optimal des substrats, un conditionnement minimal des surfaces est nécessaire afin de les adapter aux exigences du dépôt PVD. De manière générale, ces préparations peuvent être résumées comme suit :
Traitements ou agents affectant la composition de la surface et pouvant être éliminés sans altérer la qualité superficielle. Il est recommandé de les retirer avant l’envoi au centre de revêtement.
Traitements ou agents affectant la composition de la surface et ne pouvant pas être éliminés sans altérer la qualité superficielle.
Précautions à prendre pour les surfaces rectifiées:
Más posibilidades para el futuro
Los recubrimientos CVD se emplean industrialmente en el sector de las herramientas desde los años 60 del pasado siglo. Las evoluciones han sido pocas hasta los años 90, en los que los tipos de recubrimientos ofertados se han estancado produciéndose muy pocos desarrollos a partir de entonces. Actualmente pocos centros de recubrimiento ofertan productos más evolucionados que el TiN y el TiC.
Los recubrimientos PVD hicieron su aparición en los años 80 del pasado siglo y su evolución ha sido tremendamente rápida produciéndose una enorme variedad de composiciones para dar soluciones específicas a las diferentes necesidades de la industria. Un centro de recubrimiento PVD con tecnología Platit es capaz de ofrecer con un solo equipo PVD más de 15 distintos tipos de recubrimiento sin tener que realizar cambios de configuración en el equipo.
Por otro lado, el desarrollo de nuevos recubrimientos PVD está a la orden del día, pudiendo ofertar soluciones personalizadas a distintos clientes de un modo que sería impensable por medio de los recubrimientos CVD. En Metal Estalki se dispone de equipos de recubrimiento PVD de pequeño tamaño capaces de ofertar soluciones específicas a pequeños fabricantes de herramientas.
Propiedades ampliadas
Los rangos de dureza de los recubrimientos PVD pueden llegar hasta los 45 GPa (4500 Vickers aproximadamente) con una dureza en caliente muy superior a los recubrimientos CVD, gracias a las estructuras nanométricas que se aplican a los recubrimientos PVD de tecnología PLATIT más novedosos. En recubrimientos CVD apenas se llega a los 40 Gpa.
Nivel de adhesión excelente sobre metal duro para los recubrimientos PVD. Compatibilidad absoluta sobre todos los grados de metales duros. Aunque la primera capa de los recubrimientos PVD es de mayor adhesión por ser esta térmica, en CVD existe la problemática de producirse reacciones adversas con los metales duros en algunos grados creando unos compuestos frágiles.
Posibilidad de decapar tanto metales duros como aceros recubiertos y restaurar la superficie de las herramientas a sus condiciones previas al recubrimiento sin aumento significativo de rugosidad. Algo imposible en los procesos de CVD debido a la existencia de una zona de difusión. Esto permite no solo la recuperación de herramientas usadas para usos adicionales sino también una garantía de calidad del producto debido a que procesos de recubrimiento no conformes se pueden reciclar de un modo sencillo y producir un recubrimiento con la calidad requerida.
Los recubrimientos PVD ofrecen la posibilidad de producir recubrimientos mixtos con una capa dura y otra anti adhesiva sobre ella, para materiales de trabajo que tienden a adherirse, estructuras que no son posibles de producir por CVD.
Proceso
En los recubrimientos PVD el proceso se realiza a temperaturas inferiores a 500 ºC, siendo totalmente respetuoso con la gran mayoría de los aceros de herramienta como con todos los grados de metales duros. Sin embargo, las altas temperaturas de proceso del CVD (1000 ºC) provocan redondeamientos de filo en metal duro y deformaciones en el acero que hacen necesarios tratamientos térmicos posteriores.
Los recubrimientos PVD otorgan la capacidad de seleccionar las superficies a recubrir por medio de enmascaramientos de un modo muy sencillo y económico. Al basarse en una técnica de deposición física, todas las superficies expuestas son recubiertas mientras que las no expuestas no se recubren. Dicha selección de superficies no es posible realizar en los recubrimientos CVD al basarse en procesos de reacción de gases.
Calidad para los clientes más exigentes
Espesor más controlado y reproducible. Seleccionable, en función del recubrimiento, desde 0.5 micras hasta 14 micras. En CVD se pueden formar grandes espesores de una manera menos controlada.
Respeto de las tolerancias de las herramientas de los clientes. Un espesor controlado permite una producción de herramientas de mayor precisión, algo cada vez más requerido en la industria.
En punzones de corte existe la posibilidad de recubrir filos con radios de filo inferiores a 5 micras, posibilitando la conservación de un radio de filo extremadamente cortante, lo cual no es posible por medio de CVD debido a los extremos redondeamientos que producen estas capas.
La conformidad de los recubrimientos PVD de PLATIT se certifican en base a las normas DIN 1071-2, VDI 3198. El sistema de gestión de calidad de Metal Estalki cumple asimismo la norma ISO 9001 desde hace más de seis años.
Excelente calidad superficial del recubrimiento. Rugosidad Ra tras recubrimiento de 0.04 micras a máximo de 0.15 micras, con posibilidad de reducirse tras un rápido pulido superficial. Los recubrimientos CVD habituales se caracterizan de una rugosidad mucho más elevada que requiere en todos los casos un costoso proceso de pulido.
Servicio ágil
Plazo de recubrimiento más corto que los habituales con los recubrimientos CVD, preparación más rápida y ciclos de recubrimiento más cortos.
Respetuosos con el medio ambiente
El proceso de recubrimiento PVD es totalmente respetuoso con el medioambiente y seguro por emplearse compuestos y gases seguros para las personas y otros seres vivos. Por el contrario, en los procesos CVD se deben emplear gases extremadamente peligrosos para la salud de las personas y el proceso produce residuos tóxicos que en caso de no ser adecuadamente tratados suponen un peligro medio ambiental.
Lejos de lo que puede parecer, un correcto recubrimiento PVD comprende además del propio ciclo de recubrimiento otros procesos de gran importancia. En Metal Estalki se apuesta por un servicio integral, de manera que todos ellos se lleven a cabo dentro de la propia planta, sin necesidad de subcontrataciones que alargan el plazo y reducen la fiabilidad.
El conocimiento de la herramienta, de la aplicación y de los procesos es imprescindible a la hora de determinar las necesidades de cada pieza o herramienta en concreto, por eso es necesario el asesoramiento de un técnico con experiencia. De forma genérica, las posibles etapas son las siguientes:
Los recubrimientos suponen un factor multiplicativo en la vida de los sustratos, pero para cumplir su misión requieren un buen diseño de herramienta y una calidad superficial óptima para la deposición PVD. Para ello, además de una limpieza inmaculada a través de equipos industriales especiales y limpieza por ultrasonidos, es esencial realizar determinados tratamientos de superficie que garanticen un recubrimiento correcto.
Por ejemplo, la eliminación de las rebabas creadas por deformación plástica del acero de las herramientas es crucial ya que la zona sombreada evita el recubrimiento. A menudo un filo con rebabas recubierto por PVD se comporta igual que un filo con rebabas sin recubrimiento PVD. Por otra parte, la calidad del filo de corte es muy importante, ya que la resistencia a impacto / desgaste depende del mayor defecto (surco creado por rectificado). Este factor se multiplica en presencia de recubrimiento.
Además, existe un radio de corte óptimo para el rendimiento de la herramienta, que se puede conseguir por medio de pre y post-tratamientos de superficie.
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