Caractérisation de revêtements PVD nanostructurés à base de nitrures de métaux de transition pour application mécanique : aspects chimiques, mécaniques et tribologiques

= Characterization of nanostructured transition metal nitrides PVD coatings, for mechanical applications : Chemical, mechanical and tribological characteristics.

• Auteur / Autrice : Christophe Mendibide
• Direction : Philippe Steyer, Jean-Pierre Millet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCI - Laboratoire de Physico-Chimie Industrielle (Lyon, INSA1977-2007) - GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrosion

Microstructure (physique)

Tribologie (technologie)

Superréseaux

Revêtement métallique

Résumé

Une nouvelle génération de revêtements à structure nanométrique a été déposée par pulvérisation cathodique magnétron et par évaporation à arc sur un acier à outil de type M2, puis le comportement des pièces vis à vis de l'usure et de la corrosion (sèche et humide) a été évalué. Ces dépôts sont composés soit d'une structure multicouche TiN/CrN, caractérisée par une épaisseur de quelques nanomètres des strates (2D), soit d'une dispersion de nano-grains de TiN dans une matrice de nitrure de Bore amorphe (3D). L'ensemble des investigations entreprises démontrent la suprématie des revêtements 2D comparativement aux dépôts monocouches TiN ou CrN. L'amélioration des propriétés tribologiques par l'emploi d'une structure stratifiée est manifeste et expliquée par une répartition favorable des contraintes au sein des couches, gênant la propagation des fissures engendrées lors du frottement. Du point de vue des propriétés réfractaires, la très bonne résistance à l'oxydation a été attribuée à la présence de CrN, chromine formeur, au sein du dépôt. La couche d'oxyde de chrome dense qui se forme réduit considérablement la cinétique d'oxydation et augmente ainsi la durabilité des pièces revêtues. Enfin, les essais de corrosion aqueuse ont montré la nécessité de contrôler la nature de la dernière couche déposée, en contact avec le milieu agressif environnant. Pour le système TiN/CrN, une couche externe en nitrure de chrome est requise pour obtenir les meilleures propriétés. Ce résultat expérimental original est sous-tendu par le caractère passivable de CrN qui conduit à la formation d'un oxyde semiconducteur de type-p et ainsi à une modification des propriétés électroniques superficielles du revêtement 2D, ralentissant le processus de corrosion. Dans les conditions expérimentales sévères choisies, les dépôts nanocomposites TiBN, en dépit d'une dureté très élevée, n'améliorent pas les propriétés physico-chimiques ou tribologiques, comparativement à TiN monocouche.

New nanostructured coatings were deposited by magnetron sputtering as well as cathodic arc evaporation on M2 tool steel and their ability to protect this substrate against corrosion and wear has been evaluated. These deposits are either TiN/CrN multilayer coatings with nano-scaled successive layers (2D), or nanocomposite deposits formed by the dispersion of TiN nano-crystallites into an amorphous BN matrix (3D). The experiments show the efficiency of using 2D coatings compared to monolayered TiN and CrN ones. From a tribological point of view, a great increase of the wear resistance is observed, which is modelled on the basis of a different residual stress repartition in the stratified structure. From a refractory properties point of view, the better oxidation resistance is explained by the formation of Cr2O3, reducing drastically the oxidation kinetic. Concerning the aqueous corrosion, it has been underlined the importance of depositing an outer CrN layer on the coating surface, which optimises the corrosion protection, through the formation of a passive oxide film of p-type semiconducting properties, lowering the corrosion rate. In the chosen severe experimental conditions, no significant differences between TiN and the nanocomposite TiBN coating has been