APPLICATION DE REVETEMENTS TERNAIRES (CrAlN, ZrBN)

APPLICATION DE REVETEMENTS TERNAIRES (CrAlN, ZrBN)

Les nitrures des métaux de transition tels que TiN ont été largement utilisés comme revêtement durs pour la protection des outils de coupe afin d’améliorer leur tenue en service [142,143]. Cependant, l’inconvénient principal de TiN est sa faible résistance à l’oxydation à haute température (≈ 500 °C). Par l’addition d’éléments tel que l’aluminium [144,145], son oxydation à haute température a été améliorée. Pour cette raison, TiAlN a été développé comme alternative à TiN. TiAlN présente une haute résistance à l’oxydation (≈ 750 °C) et une haute dureté (≈ 30 GPa) [146]. Tout comme TiN, CrN a été également utilisé comme revêtement dur pour la protection d’outils de coupe [147,148]. Parmi les nombreux avantages qu’offre CrN on note : de faibles contraintes internes permettant d’élaborer, sur une gamme très étendue de substrats, des films pouvant atteindre 40 µm d’épaisseur [149]. De plus CrN ‘optimisé’ possède non seulement un faible coefficient de frottement, une haute résistance à la corrosion et à l’usure mais également une haute ténacité [150]. Par ailleurs, il a également été montré que CrN possède une faible résistance à l’oxydation surtout lorsque la température d’emploi avoisine 650 °C. Ainsi, et dans le même esprit que TiAlN, l’amélioration des performances de CrN par l’ajout de Al, V, Nb,….. a été explorée [32,72]. Il en découle que parmi ces revêtements, CrAlN est le revêtement le plus prometteur. Comparé à CrN, CrAlN montre une plus haute dureté allant selon les études de 30 [151] à 40 GPa [152], un faible coefficient de frottement et une haute stabilité thermique à 800 [153] et 900°C [154], mais également une haute résistance à l’usure [155] (6 fois plus faible que CrN lors de test d’usure réalisé au pion- disque). Pour toutes ces raisons, CrAlN a retenu toute notre attention et nous avons donc décidé de nous intéresser à la synthèse et la caractérisation de ce revêtement par pulvérisation magnétron R.F. Dans l’optique de réaliser des revêtements nouveaux, nous avons également étudié des films de ZrBN. L’intérêt que nous avons porté à ces films trouve son origine dans les bonnes caractéristiques que possède la phase cubique du nitrure de bore ‘c-BN’. En effet, le c-BN présente d’exceptionnelles propriétés intrinsèques telles qu’une haute dureté, une bonne stabilité et conductivité thermique ainsi qu’une bonne résistivité électrique. Cependant, ses applications en films minces sont limitées par sa faible adhérence sur la majorité des substrats. En effet, de nombreuses études ont révélé qu’au-delà de 200 nm d’épaisseur, le film se délamine automatiquement de son substrat [76-78]. Des travaux ont été menés afin d’améliorer son adhérence par le chauffage du substrat [78,79] ou par l’introduction de sous-couches entre le substrat et le film [80,81]. Or, les améliorations atteintes en moyennant ces techniques restent insuffisantes pour des applications industrielles. Récemment, il est apparu que pour dépasser ce verrou technologique qu’est la mauvaise adhérence du c-BN, il serait intéressant de travailler avec des systèmes Me-BN (Me=métal). En effet, l’introduction d’un troisième élément chimique tel que Zr (zirconium) pourrait conduire à diminuer les contraintes internes des films synthétisés, améliorant ainsi leur adhérence. Enfin, nous avons voulu vérifier l’effet du traitement mécanique de sablage de l’arête de coupe des outils sur la résistance à l’abrasion et aux ébréchures de celle-ci. Pour réaliser cette étude, nous avons traité par sablage, pendant différentes durées, des couteaux de microdéroulage et nous les avons testés en usinage de hêtre. Des mesures de recul des arêtes des outils et des efforts de coupe ont été faites. Pour clore cette étude et afin d’observer les conséquences qu’induit ce genre de traitement sur l’adhérence des films, des essais de microdéroulage de hêtre ont été réalisés avec des couteaux préalablement sablés puis revêtus de CrAlN.

Il est bien connu que les propriétés des revêtements obtenus par des méthodes de dépôts PVD dépendent fortement des paramètres du procédé employé. Les revêtements CrAlN ne font pas exception à cette règle. En effet, les propriétés de ce revêtement dépendent de la concentration molaire en Al [156,157], de la polarisation des substrats, de la proportion d’azote dans le mélange gazeux [151], etc… Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons tout d’abord réalisé une recherche exploratoire qui a consisté à étudier l’effet de l’introduction de l’azote dans la décharge plasma. Par la suite, nous avons fait varier plusieurs conditions de dépôts pour en constater l’influence. Ces conditions sont : le temps de pré-pulvérisation de la cible, la proportion d’azote dans la décharge plasma, la pression totale de travail, la puissance appliquée au générateur R.F et le temps de dépôt.