NOUVELLE GENERATION DE REVETEMENTS TECHNIQUES PERFORMANTS COMPATIBLES AVEC LES SURFACES POLI-MIROIR

INTRODUCTION

Les revêtements de nitrure de chrome, de titane ou encore de zirconium sont aujourd’hui des nuances incontournables et maitrisées dans le domaine de la mécanique tout comme dans celui des dépôts décoratifs.

Toutefois, même si leur composition est identique, il demeure délicat de combiner les propriétés des couches techniques qui ont été développées pour des applications mécaniques, avec les propriétés de surface des couches décoratives du marché.

L’objectif des études menées par DMX Research sur cette thématique a donc été de travailler sur la mise en œuvre d’un procédé hybride de dépôt permettant de développer des couches techniques performantes présentant des niveaux de rugosité compatibles avec des surfaces d’outillage dites poli-miroirs et/ou poli-optiques.

DEMARCHE

Différentes études paramétriques ont été menées dans le but d’atteindre des solutions de revêtement présentant les caractéristiques suivantes :

  1. des duretés importantes (>20GPa) ;
  2. des contraintes internes limitées ;
  3. des qualités d’adhérence élevées sur différentes nuances de substrat ;
  4. des niveaux de rugosités surfaciques très faibles en s’affranchissant de toute étape post-traitement de reprise en polissage.

La démarche suivie pour le développement de telles solutions de revêtement a reposé sur une approche globale de la problématique. Le nettoyage et la préparation des pièces tout comme les différentes étapes de décapages chimique et physique ont en effet été étudiés et adaptés pour satisfaire les multiples contraintes techniques inhérentes à ces surfaces polies extrêmement sensibles.

Les travaux se sont ensuite concentrés sur la maitrise et la compréhension complète de la croissance des dépôts en exploitant les potentialités offertes par la technologie hybride mise en œuvre.

Les revêtements étudiés ont été déposés sur des substrats en silicium et en acier rapide compatibles avec la plupart des caractérisations réalisées mais également sur des substrats en acier type X13T6W ou encore Z38CDV5 très couramment utilisés dans l’industrie.

CARACTERISTIQUES DES REVETEMENTS DEVELOPPES

L’obtention d’un revêtement présentant des niveaux de rugosités extrêmement faibles passe incontestablement par la maitrise de sa croissance et de sa microstructure.

La figure 1 présente des exemples de microstructures obtenues pour différentes configurations paramétriques testées. Il a ainsi été démontré la variabilité du procédé hybride mis en œuvre avec la possibilité d’obtenir une couche présentant une structure colonnaire ouverte (configuration A) ainsi que des dépôts présentant des microstructures beaucoup plus denses (configuration B et C).

Figure 1 : Clichés (MEB FEG) de surface de revêtements de ZrN élaborés avec différentes configurations de paramètres de dépôt (substrat Si, épaisseurs de dépôt comprises entre 1,7µm et 2,3µm).

Figure 1 : Clichés (MEB FEG) de surface de revêtements de ZrN élaborés avec différentes configurations de paramètres de dépôt (substrat Si, épaisseurs de dépôt comprises entre 1,7µm et 2,3µm).

L’optimisation des couplages technologiques du procédé hybride et donc de la microstructure des dépôts ainsi que la maitrise des qualités de préparation des surfaces ont permis de limiter au maximum les risques de défauts de croissance et d’obtenir ainsi des revêtements avec des niveaux de rugosité très prometteurs.

Ces résultats mettent en évidence des dégradations d’état de surface très faibles pour les trois revêtements. On constate en effet, que pour des épaisseurs de revêtement comprises entre 1,5 et 2,5µm, les valeurs de Sa ne sont quasiment pas impactées et les écarts mesurés sur les valeurs de Sz restent extrêmement limités.

Figure 2 : Graphique représentant les rugosités surfaciques Sa (interférométrie optique x50, valeurs moyennes obtenues sur 10 mesures) de substrats en acier (X13T6W poli-miroir) avant et après revêtement pour des épaisseurs de couches comprises entre 1,5 et 2,5µm.

Figure 2 : Graphique représentant les rugosités surfaciques Sa (interférométrie optique x50, valeurs moyennes obtenues sur 10 mesures) de substrats en acier (X13T6W poli-miroir) avant et après revêtement pour des épaisseurs de couches comprises entre 1,5 et 2,5µm.

Figure 3 : Graphique représentant les rugosités surfaciques Sz (interférométrie optique x50, valeurs moyennes obtenues sur 10 mesures) de substrats en acier (X13T6W poli-miroir) avant et après revêtement pour des épaisseurs de couches comprises entre 1,5 et 2,5µm.

Figure 3 : Graphique représentant les rugosités surfaciques Sz (interférométrie optique x50, valeurs moyennes obtenues sur 10 mesures) de substrats en acier (X13T6W poli-miroir) avant et après revêtement pour des épaisseurs de couches comprises entre 1,5 et 2,5µm.

Les images de la figure 4 permettent de visualiser les profils 3D des surfaces revêtues obtenus par interférométrie optique sur les mêmes substrats en acier.

Les caractérisations mécaniques réalisées par nanoindentation (cf. tableau 1) et par essais de résistance à la rayure (cf. figure 5) sur ces mêmes revêtements ont permis de confirmer que les propriétés mécaniques de ces couches sont équivalentes à celles des revêtements techniques de même composition utilisés aujourd’hui dans le milieu de la mécanique.

L’exemple de résultat obtenu pour le test à la rayure dans le cas du revêtement CrN présenté sur les images de la figure 5, permet d’illustrer en particulier le niveau élevé d’adhérence du dépôt (charge critique d’environ 60N).

Tableau 1 : Valeurs de dureté et de module d’Young obtenues par nanoindentation (substrat acier rapide ; valeurs moyennes sur 30 indents ; indenteur Berkovitch ; méthode Oliver and Pharr)

Tableau 1 : Valeurs de dureté et de module d’Young obtenues par nanoindentation (substrat acier rapide ; valeurs moyennes sur 30 indents ; indenteur Berkovitch ; méthode Oliver and Pharr)

Figure 4 : Visualisation 3D (interferométrie optique x50) des surfaces des revêtements de TiN, CrN et ZrN sur substrat en acier X13T6W poli-miroir

Figure 4 : Visualisation 3D (interferométrie optique x50) des surfaces des revêtements de TiN, CrN et ZrN sur substrat en acier X13T6W poli-miroir

Figure 5 : Photographie (microscopie optique) d’un scratch test réalisé sur un substrat en acier rapide poli-miroir (65HRC) revêtu d’une couche de CrN de 2µm d’épaisseur (longueur de scratch 3mm ; rampe de force 158N.min

Figure 5 : Photographie (microscopie optique) d’un scratch test réalisé sur un substrat en acier rapide poli-miroir (65HRC) revêtu d’une couche de CrN de 2µm d’épaisseur (longueur de scratch 3mm ; rampe de force 158N.min

CONCLUSIONS

La mise en œuvre d’un procédé hybride de dépôt a permis d’obtenir des revêtements présentant des rugosités extrêmement faibles tout en maintenant des caractéristiques mécaniques intéressantes.

Ces revêtements possèdent de plus la particularité de pouvoir être déposés à basse température (<190°C) et dans un environnement d’atelier propre (sans obligation de travailler en salle blanche) ; ce qui en fait des candidats prometteurs pour différentes applications industrielles comme par exemple la protection de surface de moules d’injection plastique poli-miroirs et/ou poli-optiques.