Characterizing the Sacrificial Coating on Tools During Turning of TiMMCs

Les composites à matrice métallique de titane (Ti-MMC) sont connus comme étant l'un des matériaux les plus difficiles à usiner. Ces difficultés sont dues à la combinaison des problèmes d'usinabilité des alliages de titane et des composites à matrice métallique (MMC). Ces composites métalliques de titane offrent des propriétés mécaniques et physiques remarquables par rapport aux alliages de titane et aux MMC. Les Ti-MMC sont ainsi très attractifs pour une large gamme d'applications dans des domaines industriels importants, tels que : l'aéronautique (structure aéronautique, moteur aéronautique...), ou l'automobile (moteur, système de freinage, arbre de transmission...). Bien qu'un certain nombre d'études sur l'usinabilité de ces matériaux aient été réalisées, les mécanismes d'usure des outils ne sont pas encore clairement compris. En particulier, la durée de vie de l'outil lors de l'usinage ainsi que la mauvaise qualité de surface obtenue après usinage. Il a été rapporté que les mécanismes d'usure initiaux jouent un rôle clé dans la durée de vie de l'outil lors de l'usinage. En effet, le contrôle de ces mécanismes peut permettre de réguler la durée de vie de l'outil. Dans le but de changer les mécanismes d'usure initiaux, nous développons ici une nouvelle méthode pour ajuster l''usure chimique qui se produit dès les premiers moments de la coupe, par le biais d'une couche sacrificielle sur l'outil de coupe. C'est la première fois qu'un dépôt de nickel autocatalytique est appliqué sur des outils en carbure revêtus de nitrure de titane pour l'usinage. Afin de générer une couche sacrificielle mince, nous avons développé une nouvelle technique de dépôt du nickel-bore sans courant, sur des inserts revêtus par PVD de (Ti, Al) N + TiN. Notre placage qui ne nécessite pas de prétraitement de surface repose sur un processus chimique en une seule étape, à base de diazonium. Les caractéristiques du nickel-bore révèlent que les dépôts présentent tous la même quantité de bore, 9,3 ± 0,1% en poids. Une telle homogénéité est intéressante du point de vue industriel. La couche mince sacrificielle du Ni / B est donc déposée sur les inserts revêtus de (Ti, Al) N + TiN dans des conditions difficiles mais efficaces. En appliquant cette nouvelle méthode de placage sur les outils de coupe revêtus par PVD, un certain nombre de tests de tournage du matériau TiMMC ont été réalisés.

Abstract

Titanium metal matrix composites (Ti-MMCs) has known as one of the most difficult to machine materials due to the combination of different difficulties in machinability from both titanium alloys and metal matrix composites. These metallic composites material possess several remarkable mechanical and physical properties of both titanium alloys and metal matrix composites (MMCs). Thus, the Ti-MMCs are increasingly attractive for a range of applications in industrial areas: aerospace (Aircraft structure, aero-engine...), automotive (engine, brake system, driveshaft...). Despite various studies on the machinability of these materials have been carried out, their tool wear behaviors are still not fully understood. Furthermore, the tool life when machining the TiMMCs is very short and poor machined surface quality. It has been reported that the initial wear mechanism plays a key role in the tool life during machining of TiMMCs, controlling the initial wear behavior can therefore solve the tool life problem. With an aim of changing the initial wear mechanism, we propose herein a simple and efficient electroless plating of a sacrificial coating nickel-boron (Ni/B) onto the cutting tool to adjust the chemical wear behavior at the first moment of cutting process. This is the first time an electroless nickel deposition has been applied to the titanium nitride coated carbide tools for a machining process. Indeed, a thin nickel-boron sacrificial coating can be easily deposited on the existing PVD coated inserts with (Ti,Al)N+TiN. Our electroless plating relies on a one-step diazonium induced anchoring process to graft the amine-terminated groups on the inserts without requiring any surface pre-treatment. The plated surface is fully covered by a homogenous and continuous metallic film. The characterization of our obtained nickel-boron films reveals that they all contain the same amount of boron, 9.3 ± 0.1 % in weight. Such homogeneity is interesting from the industrial point of view. In order to shed some light on the effect of our Ni-B sacrificial coating electrolessly plated onto the PVD coated cutting inserts, a number of turning tests of TiMMCs material have been conducted under different cutting conditions with both original PVD coated inserts and PVD coated inserts with a sacrificial coating of Ni/B.