Revêtements monocouches

Parmi les différents types de revêtements monocouches qui peuvent être élaborés et qui sont cités dans la littérature, on trouve les revêtements suivants :

 Simples : ils se composent d’une seule phase. Il peut s’agir d’un métal, d’un composé d’insertion (solution solide) ou d’un composé défini [78, 79].

 Multiphases : mélange plus ou moins intime de deux phases distinctes (par exemple TiN/Ti2N). Les composites constituent un cas particulier de ce type de revêtement.

 Composites : variante du revêtement multiphases. Différents résultats seront obtenus en fonction de la distribution des phases qui n’est plus aléatoire mais plus ou moins régulière.  Superréseaux : ce type de revêtement est composé de couches successives de deux matériaux, par exemple TiN et NbN. La période λ est définie comme étant l’épaisseur de chaque couche. Ces dépôts sont caractérisés par des périodes qui peuvent êtres inférieures à 5 nanomètres, ils doivent avoir des paramètres de maille proches mais des modules d’Young très différents et présentent généralement de très bonnes propriétés mécaniques et tribologiques [15].

 A gradient de fonctionnalité : dans ces revêtements un gradient de propriétés particulières du matériau est réalisé par un changement continu de composition chimique [76] (exemple TiN/Ti(C, N)/TiC).

Les bonnes propriétés mécaniques des revêtements exigent souvent une haute dureté, une ténacité élevée, un faible coefficient de frottement, une bonne adhésion et une bonne stabilité chimique et thermique. Parmi toutes ces propriétés, la dureté est considérée comme étant la plus importante dans les revêtements industriels et particulièrement pour des applications tribologiques.

Morphologie

La plupart des dépôts issus de la voie PVD, notamment TiN et CrN, sont connus pour développer une structure colonnaire et ainsi très texturés. Autrement dit, au cours de leur élaboration, les atomes qui les constituent s’empilent de manière à constituer un réseau cristallin orienté dans une direction donnée de l’espace. Dans le cas des dépôts monocouches, c’est l’orientation <111> qui est le plus souvent rencontrée [80-86], mais les orientations dans les directions préférentielles <100> ou <110> sont également rapportées [87-89]. En outre, la texture est fortement influencée par les conditions de dépôts (procédé d’élaboration, température, pression des gaz, tension de polarisation, …) [89-92]. La cause d’une orientation

privilégiée et du type de texture rencontré est restée inexpliquée jusqu’aux travaux de Pelleg et al. [93] qui ont interprété l’orientation cristallographique des revêtements PVD sur la base d’une compétition entre l’énergie de surface et les contraintes résiduelles. Ces auteurs concluent que si les contraintes internes sont trop importantes, ce sont elles qui contrôlent l’organisation cristalline du dépôt en croissance et celui-ci s’orientera dans la direction <111>

[94-96]. Dans le cas contraire, c’est l’énergie de surface qui la gouverne et le dépôt adopte

alors une structure <100>. Sur la base de ce concept, les textures <111>, souvent rencontrées dans la littérature, traduisent la présence de contraintes résiduelles fortes au sein des dépôts

[97-99].

Propriétés mécaniques et tribologiques

Les revêtements durs à base de nitrures de métaux de transition (Ti, Cr, V, Nb…) élaborés par PVD sont renommés pour augmenter la durée de vie des outils de coupe et ont donc naturellement connu un rapide essor industriel. Leurs propriétés tribologiques ont fait l’objet de nombreuses études. Les références citées dans ce paragraphe sont par conséquent loin d’être exhaustives.

a. Dureté

L’objectif principal du développement des dépôts à base de nitrures est le durcissement superficiel obtenu grâce à ces revêtements.

b. Résistance à l’usure

Suivant le type d’usure étudié, différents protocoles sont évoqués pour caractériser la résistance des revêtements ; on peut en particulier citer les tests :

 Pion sur plan,  Fretting,

 Frottement alternatif.

Dans tout les cas, l’usure est quantifiée par la quantité de matière usée rapportée à la charge appliquée et à la distance parcourue (mm3/N.m) : c’est le taux d’usure. Ces tests précédemment cités caractérisent donc la durée de vie des matériaux. Ils permettent

également, à travers une analyse des traces laissées sur l’échantillon, de déterminer les mécanismes d’usure.

A titre indicatif, des résultats obtenus sur le revêtement TiN, montrent une amélioration de la tenue à l’abrasion d’une pièce revêtue d’un facteur trois à quatre par rapport au substrat seul

[80]. Plus récemment, Fouvry et al. [100] ainsi que Chen et al. [101], dans le cas du fretting, ont suivi l’évolution du volume de matériau usé avec l’énergie dissipée lors du contact par frottement afin de quantifier la résistance à l’usure des dépôts. Ils ont ainsi pu constater que cette méthode est plus discriminante que le simple calcul du taux d’usure et conduit à une moindre dispersion.

c. Coefficient de frottement

L’emploi de films ternaires (CrAlN, CrVN, ZrVN, CrMoN…) de type PVD offre de nouvelles perspectives pour des applications tribologiques. En effet, ce type de revêtements présente non seulement une résistance accrue à l’usure mais aussi un coefficient de frottement suffisamment faible qui permettra de travailler sans lubrification.

Beaucoup de revêtements PVD (TiN, TiAlN, CrAlN…) sont bien connus pour leur oxydation rapide dès que la température dépasse 500 C° [81, 82, 84]. Sous l’effet de l’augmentation de

la température au cours du frottement, TiAlN et TiN s’oxydent respectivement en Al2O3 et

TiO2 moins résistants à l’abrasion et qui sont progressivement usés. Sous certaines conditions,

pour une hygrométrie particulière, les oxydes de titane TiO2 et d’aluminium Al2O3 formés

peuvent agir comme des lubrifiants qui réduisent le coefficient de frottement [81, 83, 101, 102]. C’est le phénomène d’autolubrification. Les débris (troisième corps) formés restent

piégés dans la rayure [83] et réduisent le coefficient de frottement. L’autolubrification (troisième corps) n’apparait en général que dans des conditions d’usure suffisamment douces, permettant de régénérer continûment l’oxyde formé. Elle est ainsi surtout évoquée dans le cas de l’usure par fretting.