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Titane, le métal « rebelle » apprivoisé, avec la nouvelle nuance de carbure CTP5240 de CERATIZIT qui accroît la productivité de l'usinage du titane dans l'aérospatiale

07/11/2007
Nous avons affaire au titane tous les jours : la peinture blanche utilisée pour peindre les murs de maisons en contient sous forme de rutile purifié (TiO2) ; dans les techniques médicales, le titane est devenu absolument indispensable pour les prothèses d'articulations et la pose d'implants dentaires ; et dans l'industrie aérospatiale, on mise actuellement sur ce métal pour les éléments de structure portants qui, dans le passé, étaient fabriqués en acier. Mais le titane est une matière « rebelle » dont l'usinage efficace est fort difficile. La nouvelle nuance CTP5240 de CERATIZIT permet une productivité accrue en présence d'une usure moindre et de vitesses de coupe plus élevées.

« Lumières et ombres »

Le titane est un élément chimique métallique que l'on trouve dans la croûte terrestre. Il porte le numéro atomique 22 et appartient au groupe IVb de la classification périodique.

Les alliages de titane possèdent des propriétés très utiles pour de nombreuses applications :
- Résistance semblable à celle de l'acier mais masse volumique divisée par deux
- Élasticité et résistance élevées
- Très faible conductivité thermique :
+ Absence de fragilité en présence de températures extrêmement faibles
+ Bonne résistance au fluage en cas de températures très élevées

Pourtant, ces avantages impliquent également des inconvénients lors de l'usinage des alliages de titane :
- Usinabilité difficile
- Coûts d'usinage et d'outils importants
- Prix extrêmement élevé de la matière à usiner (à l'heure actuelle, au moins 25 fois plus cher que l'aluminium)

Le titane, une matière fort exigeante

Les alliages de titane sont de très mauvais conducteurs thermiques. Leur conductivité thermique est dix fois moins grande que celle de l'acier. Dans l'usinage, cela signifie que 75 % de la chaleur générée pendant le processus est transmise aux outils et non pas évacuée avec les copeaux. Pour contrarier cet effet, un substrat de carbure ultra-résistant et une lubrification efficace sont nécessaires au cours du processus d'usinage. Ce qui entraîne l'utilisation de grandes quantités de lubrifiants, de préférence avec une pression élevée à travers la broche, directement sur les arêtes de coupe des outils. Pour cette raison, les outils dotés de lubrification interne constituent le premier choix pour l'usinage des alliages de titane.

Une autre conséquence résultant de la mauvaise conductivité des alliages de titane est la température élevée au niveau des arêtes de coupe. Celle-ci provoque des réactions chimiques telles qu'oxydation et diffusion à la surface de l'arête de coupe, problèmes auxquels CERATIZIT est en mesure d'apporter une solution : la nouvelle nuance CTP5240.

Résistance à l'usinage

Le titane est une matière polymorphe. Après solidification à une température de 1 668°C, la structure de son réseau cristallin est cubique centrée. Au voisinage d'une température de 882°C, le réseau se transforme en structure hexagonale. Néanmoins, en dessous de cette température le titane reste relativement malléable, à cause des nombreux plans de glissement et plans géminés au sein du réseau cristallin.

Par déformation à froid, le titane tend à un fort durcissement tandis que la résistance à la traction se triple et l'allongement à la rupture se réduit de jusqu'à 90 %. Cette tendance à l'écrouissage oppose au processus d'usinage une résistance significative. Les risques d'écaillage des arêtes de coupe sont fort probables ou le matériau de coupe est « détruit ». Des arêtes de coupe positives et vives aident, dans une certaine mesure, à réduire les efforts de coupe mais la préparation de l'arête ne doit pas être trop positive, car sinon elle serait trop fragile pour cette plage d'application.

L'élasticité élevée de la matière provoque une « relâchement » du titane directement après le processus d'usinage. Cela impose des exigences particulières en ce qui concerne le positionnement géométrique de l'arête de coupe. En conclusion, on peut dire qu'un usinage efficace du titane n'est vraiment pas évident !

CERATIZIT développe une nouvelle nuance de carbure pour l'usinage des alliages de titane

Beaucoup des composants utilisés dans l'industrie aérospatiale sont faits à base d'alliages de titane forgés. La surface de ces composants est caractérisée par une dureté irrégulière, ce qui entraîne pour les plaquettes utilisées dans l'usinage des contraintes et sollicitations imprévisibles. Pour résoudre ce problème complexe, CERATIZIT dispose d'une solution HyperCoat, une combinaison de substrat innovant de carbure extrêmement résistant à la chaleur (plage ISO P et M) et d'un revêtement particulièrement adapté à ce domaine d'application. Cette nouvelle nuance de carbure porte le nom CTP5240.

Hautement efficace : la nouvelle nuance CTP5240

La nouvelle nuance CTP5240 est composée d'un substrat de carbure à grain moyen extrêmement résistant à la chaleur associant une résistance à l'usure élevée, une ténacité suffisante et une tenue à chaud très importante. Le revêtement adapté aux alliages de titane montre une tendance fortement réduite face aux réactions chimiques telles qu'oxydation et diffusion avec la matière de la pièce. La nouvelle nuance se distingue par d'excellentes propriétés tribologiques et par une stabilité thermique élevée en présence d'une dureté extraordinaire. En plus de cette grande dureté, le revêtement agit comme un bouclier thermique hautement efficace protégeant le substrat de carbure d'une usure prématurée à des vitesses de coupe plus importantes.

Le traitement spécifique de la surface du revêtement permet d'aboutir à une face de coupe très lisse réduisant considérablement le coefficient de friction lors de l'usinage. L'écoulement des copeaux le long de cette face de coupe est nettement amélioré.

Une géométrie au design hautement positif

En ce qui concerne la géométrie de l'arête de coupe de la nuance CTP5240, CERATIZIT mise sur un design hautement positif qui ressemble à notre géométrie alu -27. Cette géométrie permet l'usinage avec des efforts et des pressions de coupe très faibles. Ainsi, il est possible de maintenir plus longtemps la température du processus entre 200 et 250° C, ce qui correspond à une température nettement inférieure à celle qui était utilisée jusqu'à présent pour usiner les alliages de titane.

Parmi les autres effets positifs de notre géométrie d'arêtes, il faut citer le bon contrôle copeaux et leur écoulement efficace. Grâce à la bonne formation des copeaux, cette géométrie d'arête consent une évacuation efficace de ces derniers puisque leur volume est très compact : le « volume copeaux » de matière enlevée est nettement plus petit que d'habitude.

Vitesses de coupe et avances

Avec cette combinaison de géométrie et de nuance, CERATIZIT a déjà atteint une durée de vie de 120 m pour les opérations d'ébauche avec une avance à la dent de 0,12 mm et 6 mm de profondeur de coupe axiale.

Applications dans l'industrie aérospatiale :
Train d'atterrissage (balancier) Ti 5.5.5.3 (TiAl5V5Mo5Cr3)
Fraise hérisson ANFT.80.R.05-19-A32-60
vc = 30 m/min
fz = 0,1 mm / tr
ap = 18 mm
ae = 5 mm
Durée de vie : > 100 min.

Élément de structure en TiAl6V4 pour l'industrie aérospatiale
Fraise à queue C251.32.R.04-10-AR70
vc = 65 m/min
fz = 0,21 mm / tr
ap = 1,0 mm
ae = 32 mm
Durée de vie : > 70 min.

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