Elaboration et caractérisation de revêtements à base de nitrure de chrome, carbonitrure et carbure de titane élaborés par pulvérisation magnétron

Synthesis and characterization of coatings based on chromium nitride, titanium carbide and carbonitride prepared by magnetron sputtering

• Auteur / Autrice : Issam Rahil
• Direction : Agnès Fabre, Corinne Nouveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Pierson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Fabre, Corinne Nouveau, Luc Imhoff, Alain Iost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Benayoun, Eli Saúl Puchi-Cabrera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail du bois

Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Revêtement

Cr-Mo-N

Ti-W-C

Ti-W-C-N

Pulvérisation magnétron

Usinage bois

Coating

Cr-Mo-N

Ti-W-C

Ti-W-C-N

Magnetron sputtering

Wood machining

Résumé

Le but de ce travail est d'élaborer de nouveaux revêtements anti-usure à base de nitrure de chrome, de carbure et de carbonitrure de titane par dépôt physique en phase vapeur afin d'améliorer la résistance à l'usure à sec des outils de coupe du bois.Des revêtements binaires de CrN et de MoN, ternaires de Cr-Mo-N et de Ti-W-C et quaternaires de Ti-W-C-N ont été déposés sur des outils de coupe en carbure de tungstène et en acier et sur des substrats de silicium par pulvérisation magnétron RF en utilisant différentes cibles (Cr, Mo, Ti et WC) sous différentes atmosphères (Ar, Ar + N2, Ar + CH4 et Ar + N2 + CH4).L'influence de la pression de travail, des ratios des gaz plasmagènes, des tensions d'auto-polarisation des cibles, de la température des substrats et de celle du recuit sur les propriétés des revêtements ont été étudiées, en utilisant l'EDS, la WDS, l'XPS, la DRX, le MEB, le MET, l'AFM, la microscopie optique, l'interférométrie optique (2D et 3D), le Scratch test, l'essai Daimler, la nanoindentation et la tribométrie alternative et rotative. L'objectif est d'établir une corrélation entre le comportement tribologique des revêtements étudiés et leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques.Les revêtements optimaux présentant la meilleure résistance à l'usure à sec ont été testés en usinage de l'épinette noire à l'échelle industrielle dans des conditions sévères (-20/-25 °C). Les résultats montrent que grâce à l'emploi des revêtements de Cr-Mo-N, Ti-W-C et de Ti-W-C-N, la durée de vie des outils coupants a été augmentée de 47 à 77 % par rapport à l'outil non revêtu.Mots clés: revêtement, (Cr-Mo)N, (Ti-W)(C,N), propriétés physico-chimiques, propriétés mécaniques, comportement tribologique, usinage bois

The objective of the present work is to deposit new protective coatings based on chromium nitride, titanium carbide and carbonitride by using physical vapor deposition in order to improve the dry wear resistance of wood cutting tools.Binary CrN, and MoN layers, ternary Cr–Mo–N and Ti-W-C films and quaternary Ti-W-C-N coatings were deposited on carbide inserts, iron cutting tools and silicon substrates by dual radio–frequency (RF) magnetron sputtering using different targets (Cr, Mo, Ti and WC) in different atmospheres (Ar, Ar+N2, Ar+CH4 and Ar+N2 +CH4).The influence of the working pressure, gas ratio, targets voltage, deposition temperature and heat temperature on the coating's properties has been studied by EDS, WDS, XPS, XRD, SEM, TEM, AFM, optical microscopy, 2D and 3D interferometric profilometer, Scratch test, Daimler test, nanoindentation, alternative and rotary tribometer. The objective is to correlate the tribological behavior of the studied coatings and their physico-chemical and mechanical properties.The coatings showing the best wear resistance against dry wear have been tested in industrial wood machining (-20/-25 °C). Results showed that Cr-Mo-N, Ti-W-C and Ti-W-C-N coating have improved the cutting tool's life from 47 to 77 % compared to uncoated one,Keywords: Coatings, (Cr-Mo)N, (Ti-W)(C,N), physico-chemical properties, mechanical properties, tribological behavior, wood machining