Brasage de l'acier à outils et du carbure cémenté

1. Matériau de brasage

(1) Le brasage des aciers à outils et des carbures cémentés utilise généralement du cuivre pur, du cuivre-zinc ou du cuivre-argent comme métal d'apport. Le cuivre pur présente une bonne mouillabilité avec tous les types de carbures cémentés, mais le meilleur résultat est obtenu par brasage sous atmosphère réductrice d'hydrogène. Cependant, la température de brasage élevée induit des contraintes importantes dans le joint, ce qui accroît le risque de fissuration. La résistance au cisaillement du joint brasé au cuivre pur est d'environ 150 MPa et sa plasticité est également élevée, mais ce procédé ne convient pas aux applications à haute température.

Le métal d'apport cuivre-zinc est le plus couramment utilisé pour le brasage des aciers à outils et des carbures cémentés. Afin d'améliorer la mouillabilité de la brasure et la résistance du joint, on y ajoute souvent du manganèse (Mn), du nickel (Ni), du fer (Fe) et d'autres éléments d'alliage. Par exemple, l'ajout de 4 % de manganèse (MN) au cuivre-zinc-β permet d'atteindre une résistance au cisaillement de 300 à 320 MPa à température ambiante pour les joints brasés en carbure cémenté ; cette résistance se maintient entre 220 et 240 MPa à 320 °C. L'ajout d'une faible quantité de dioxyde de carbone (CO) au cuivre-zinc-β permet d'atteindre une résistance au cisaillement de 350 MPa pour le joint brasé, tout en lui conférant une ténacité et une résistance à la fatigue élevées, ce qui améliore considérablement la durée de vie des outils de coupe et de forage.

Le point de fusion plus bas du métal d'apport de brasage cuivre-argent et les contraintes thermiques réduites du joint brasé contribuent à limiter la fissuration du carbure cémenté lors du brasage. Afin d'améliorer la mouillabilité de la brasure et d'accroître la résistance et la température de service du joint, on ajoute souvent du manganèse, du nickel et d'autres éléments d'alliage à la brasure. Par exemple, la brasure B-Ag50CuZNCDNi présente une excellente mouillabilité sur le carbure cémenté, et le joint brasé possède d'excellentes propriétés globales.

Outre les trois types de métaux d'apport de brasage mentionnés précédemment, des métaux d'apport à base de manganèse et de nickel, tels que b-mn50nicucrco et b-ni75crsib, peuvent être utilisés pour le brasage du carbure cémenté à des températures supérieures à 500 °C et nécessitant une résistance élevée de l'assemblage. Pour le brasage de l'acier rapide, il convient de choisir un métal d'apport spécifique dont la température de brasage correspond à la température de trempe. Ce métal d'apport se divise en deux catégories : les métaux d'apport ferromanganèse, principalement composés de ferromanganèse et de borax. La résistance au cisaillement de l'assemblage brasé est généralement d'environ 100 MPa, mais celui-ci est sujet à la fissuration. L'autre catégorie comprend un alliage de cuivre spécial contenant du nickel, du fer, du manganèse et du silicium, qui réduit la fissuration des assemblages brasés et dont la résistance au cisaillement peut atteindre 300 MPa.

(2) Le choix du flux de brasage et du gaz de protection doit être adapté au métal de base et au métal d'apport à souder. Pour le brasage de l'acier à outils et du carbure cémenté, le flux de brasage utilisé est principalement composé de borax et d'acide borique, auxquels on ajoute parfois des fluorures (KF, NaF, CaF₂, etc.). Les flux Fb301, Fb302 et Fb105 sont utilisés pour le brasage cuivre-zinc, et les flux Fb101 à Fb104 pour le brasage cuivre-argent. Le flux de borax est principalement utilisé lorsque des métaux d'apport spéciaux sont employés pour le brasage de l'acier rapide.

Afin de prévenir l'oxydation de l'acier à outils pendant le brasage et d'éviter le nettoyage après brasage, on peut recourir au brasage sous protection gazeuse. Le gaz protecteur peut être un gaz inerte ou un gaz réducteur, et son point de rosée doit être inférieur à -40 °C. Le carbure cémenté peut être brasé sous protection d'hydrogène, dont le point de rosée doit être inférieur à -59 °C.

2. Technologie de brasage

L'acier à outils doit être nettoyé avant le brasage, et la surface usinée ne doit pas être trop lisse afin de faciliter le mouillage et l'étalement des matériaux et du flux de brasage. La surface du carbure cémenté doit être sablée avant le brasage, ou polie avec une meule en carbure de silicium ou diamantée pour éliminer l'excès de carbone et permettre ainsi le mouillage par le métal d'apport lors du brasage. Le carbure cémenté contenant du carbure de titane est difficile à mouiller. Une pâte d'oxyde de cuivre ou d'oxyde de nickel est appliquée sur sa surface et cuite sous atmosphère réductrice pour permettre la migration du cuivre ou du nickel, améliorant ainsi la mouillabilité par une brasure forte.

Le brasage de l'acier à outils au carbone doit de préférence être effectué avant ou simultanément à la trempe. Si le brasage est réalisé avant la trempe, la température de solidus du métal d'apport utilisé doit être supérieure à la plage de températures de trempe, afin que la soudure conserve une résistance suffisante après réchauffage à la température de trempe sans rupture. Lorsque le brasage et la trempe sont combinés, il convient de choisir un métal d'apport dont la température de solidus est proche de la température de trempe.

L'acier à outils allié présente une grande diversité de composants. Le métal d'apport de brasage approprié, le procédé de traitement thermique et la technologie combinant brasage et traitement thermique doivent être déterminés en fonction du type d'acier afin d'obtenir une bonne étanchéité de l'assemblage.

La température de trempe de l'acier rapide étant généralement supérieure à la température de fusion des brasures cuivre-argent et zinc-cuivre, il est nécessaire de tremper l'outil avant le brasage et de braser pendant ou après le revenu secondaire. Si une trempe est requise après le brasage, seul le métal d'apport de brasage spécial mentionné précédemment peut être utilisé. Pour le brasage d'outils de coupe en acier rapide, il est recommandé d'utiliser un four à coke. Une fois le métal d'apport fondu, retirez l'outil de coupe et mettez-le immédiatement sous pression pour éliminer l'excédent de métal d'apport. Procédez ensuite à une trempe à l'huile, puis à un revenu entre 550 et 570 °C.

Lors du brasage de la lame en carbure cémenté avec la barre d'outil en acier, il convient d'adopter la méthode consistant à augmenter l'espace de brasage et à appliquer un joint de compensation en plastique dans cet espace, et de procéder à un refroidissement lent après le soudage afin de réduire les contraintes de brasage, d'éviter les fissures et de prolonger la durée de vie de l'ensemble d'outil en carbure cémenté.

Après soudage à la fibre, les résidus de flux sur la soudure doivent être éliminés à l'eau chaude ou avec un mélange d'élimination de scories, puis décapés avec une solution de décapage appropriée afin d'éliminer la couche d'oxyde sur la baguette de support. Il convient toutefois de ne pas utiliser de solution d'acide nitrique pour éviter la corrosion du métal du joint brasé.