Contribution à l'application de céramiques d'Al2O3 et de 3Y-ZrO2 à structures submicroniques à l'usinage de matériaux dérivés du bois

Contribution to the application of sub-μm grain Al203 and 3Y-Zr02 ceramics to the machining of wood-based materials

• Auteur / Autrice : Timothee Grunder
• Direction : Pierre Mille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 28/09/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie de la conception (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Caillaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Murielle Bach, Guy Antou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Nouari, Pierre-Jean Meausoone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Outils de coupe pour métaux

Propriétés mécaniques

Matériaux céramiques

Appareils et matériel

Usinage

Mots clés libres

Céramiques

Outils de coupe

Structure submicronique

Comportement mécanique

Sub-μm ceramics

Cutting tools

Mechanical behavior

Résumé

Les céramiques à base d’Al2O3 et de 3Y-ZrO2 à structures submicroniques présentent, au vu de leurs propriétés physiques et mécaniques, un fort potentiel pour l’usinage de composites en bois. Neuf nuances ont été développées par coulage-gélification (CG) et par pressage isostatique à froid (CIP). Elles ont ensuite été testées en usinage dans des conditions industrielles de coupe. L’objectif de la thèse a été la compréhension, à partir de ces résultats, des mécanismes d’usure, afin d’identifier les propriétés physiques et mécaniques nécessaires pour l’usage d’un matériau nouveau pour cette application. Des outils prototypes de fraisage et de tournage ont été conçus. L’état d’endommagement et les contraintes résiduelles dans la céramique, dus aux étapes de fabrication des prototypes, ont été déterminés. Les résultats des expérimentations de coupe montrent que différents mécanismes opèrent sur l’usure des céramiques. Pour les nuances d’alumine, l’usure de l’arête se fait par arrachement cyclique de grains, tandis que les nuances à base de zircone se déforment plastiquement. Il apparaît que les propriétés physiques, telles que la taille de grain et la densité, sont prédominantes sur les propriétés mécaniques. L’utilisation de céramiques à structure submicronique avec des densités supérieures à 99 % améliore les performances en usinage. C’est la nuance Al2O3-10 % ZrO2 produite par CG qui a montré la meilleure résistance à l’usure. Lors de l'affûtage et de la coupe, l'oxyde de zirconium non stabilisé opère un changement de phase qui induit des contraintes de compression au sein de la microstructure et augmente ainsi la résistance micromécanique des joints de grain.

High mechanical properties of sub-μm grain Al2O3 and 3Y-ZrO2 present high potential for the cutting of wood-based materials. Nine grades were produced by gelcasting (GC) and cold isostatic pressing (CIP). They were tested in real industrial conditions. From those results, this thesis’ aim was to highlight the wear mechanisms in cutting, and then deduce major physical and mechanical properties that are task of material development. Consequently, prototypes for cutting trials have been developed. As a result, the manufacturing of prototype tools, X-Ray diffraction, analytical and numerical investigations were performed to quantify residual stress that occurred in ceramic. Observation of the results of experimentations in machining showed different wear modes. For alumina’s grade, single grain pull-out was the main wear mechanism of the cutting edge, while microplastic deformation occurred in zirconia’s composition. Physical properties of ceramic structure, like grain size and density, are more important than mechanical properties. To improve cutting lifetime, density must be higher than 99%, with a structure with sub-μm grain size. It appeared that there was a predominant role of micromechanical stability while cutting abrasive materials. Fracture toughness or thermal shock resistance seem to have marginal influence when ceramic were produced by low-defect process like GC. Regarding all ceramic grades the Al2O3-10ZrO2 made by GC showed the highest wear resistance in machining. Unstabilized zirconia brought micromechanical stability between grains of the cutting edge while working.