COMMENT ON OBTIENT UN ETINCELAGE
EFFICACES DES MATERIAUX CERAMIQUES?
En principe, tous les matériaux céramiques conducteurs électriques sont érodables. Cependant, la pratique nous apprend qu'il n'est toujours pas évident d'obtenir des résultats acceptables avec une machine donnée (faibles vitesses d'enlèvement, processus instable, ...). L'étincelage efficace des matériaux céramiques exigent toutefois une bonne connaissance de l''interaction processus-matériau'. De quelle façon le matériau sera enlevé par le processus d'étincelage et quels sont les facteurs d'influence. Lors de l'étincelage des matériaux métalliques, l'enlèvement de matériau s'effectue par la fusion et l'évaporation du matériau de la pièce. En général, on peut dire qu'une plus grande entrée d'énergie par impulsion (surtout caractérisée par le courant d'impulsion et la durée de l'impulsion) entraîne un plus grand enlèvement de matière. Dans l'électro-érosion des matériaux céramiques, d'autres phénomènes peuvent toutefois se manifester, ce qui entraîne une plus faible efficacité du processus.
Grande résistance électrique
Un premier problème est la plus grande résistance électrique de certains matériaux céramiques érodables. La figure 1 montre, par exemple, l'impulsion de courant obtenue dans l'électro-érosion de l'acier, d'une part, et du SiC, d'autre part, et ce pour les mêmes réglages de générateur. Le pic de courant obtenu est bien plus petit pour le SiC, ce qui résulte en une entrée d'énergie plus faible. Ceci est lié au type de générateur utilisé qui, dans ce cas-ci, est piloté par la tension. Nonobstant la valeur de courant réglée, le générateur ne peut pas fournir ce courant, parce qu'il se produit une chute de tension non négligeable (Uchute de tension=Rcéramique*Icourant) dans le matériau céramique. En vue d'un usinage malgré tout efficace des matériaux céramiques, on a mis au point au cours des dernières années de nouveaux générateurs qui ont un niveau de tension accru pendant la pénétration électro-érosive.
Spalling et réaction chimique
Un second phénomène/problème est qu'en plus de la 'fusion et évaporation', typique avec les matériaux métalliques, d'autres mécanismes d'enlèvement de matière, comme le 'spalling' et les réactions chimiques, peuvent se produire durant l'usinage des matériaux céramiques. Le 'spalling' (effritement) provient surtout du fait que des fissures apparaissent pendant le processus, ce qui fait que de plus grands morceaux de matériau sont enlevés lors des pénétrations électro-érosives suivantes. Par ailleurs, des réactions chimiques pendant le processus d'étincelage peuvent aussi être responsables d'un enlèvement de matière considérable. Par exemple, pendant l'usinage de Si3N4-TiN, la phase Si3N4 peut se décomposer suite à une température trop élevée.
- Si3N4 => 3 Si (l) + 2 N2(g)Le Si liquide créé s'oxydera pour former du verre SiO2 et bullera par le gaz N2 libéré en une couche surfacique poreuse d'une grande rugosité (voir figure 2). Cette réaction chimique se manifeste surtout avec une petite durée d'impulsion (donc une plus petite entrée d'énergie).
Ceci signifie qu'il n'est pas évident qu'une plus grande entrée d'énergie résulte toujours en un plus grand enlèvement de matière et qu'une plus faible entrée d'énergie (p.ex. une courte durée d'impulsion et un faible courant d'impulsion) résulte en une moindre qualité de surface. Une courte durée d'impulsion a une rugosité relativement grande (due à la structure poreuse), tandis qu'on trouve une valeur optimale avec une durée d'impulsion un peu plus grande. Il se fait qu'avec une durée d'impulsion un peu plus longue (entrée d'énergie un peu plus grande), la fusion et l'évaporation redeviennent dominantes comme mécanisme d'enlèvement de matériau. La fusion entraîne toujours une meilleure rugosité de surface. Il est important de savoir quels paramètres de processus doivent être choisis pour obtenir une qualité de surface acceptable. Les réactions chimiques ci-dessus ne se manifestent pas seulement avec le Si3N4-TiN, mais la 'fusion et évaporation' et des réactions chimiques peuvent aussi se manifester avec d'autres matériaux céramiques comme le ZrO2-WC, en fonction des paramètres du générateur. La composition exacte d'un matériau céramique est aussi importante. Par exemple, des phases conducteurs électriques comme TiCN, TiB2, WC, TiCN et NbC sont ajoutées aux matériaux de base ZrO2, Al2O3 ou Si3N4 pour rendre le matériau composite adéquat pour les opérations d'électro-érosion par fil. Le type, la quantité, la forme et la taille du cristal de la phase secondaire déterminent dans une grande mesure la vitesse d'enlèvement de matériau dans l'étincelage d'ébauche ainsi que la rugosité surfacique et la qualité de la surface après le finissage. ll est évident que l'ajout de la seconde phase ne doit pas uniquement assurer la conductibilité électrique, mais viser en outre une amélioration de la performance du composite. Ceci signifie que le matériau peut être adapté au processus d'étincelage afin d'obtenir un usinage aussi efficace et optimal que possible et peut en outre délivrer une meilleure résistance à l'usure. Tout ceci montre que lors de l'usinage de matériaux céramiques, le processus d'étincelage (autres générateurs) et le matériau doivent généralement être adaptés.
