FR2722800A1 - Produits composites en acier revetus en double couche et leur procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
- L'invention concerne des produits composites en acier revêtus en double couche et leur procédé de fabrication.- L'invention a trait à des produits composites en acier revêtus en double couche comprenant une première couche d'un revêtement de nitrure formé par application d'une décharge lumineuse avec une densité de courant de 0,001 à 2,0 mA/cm**2 à la surface de pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 650deg.C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma, et une seconde couche constituée soit par un film dur comportant un nitrure, carbure et/ou carbo-nitrure d'un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, ladite seconde couche étant appliquée sur la première couche par un procédé PVD, soit par un film lamellaire ou un film lamellaire à gradient de concentration, de même nature que ledit film dur.
Description
PRODUITS COMPOSITES EN ACIER REVETUS EN DOUBLE COUCHE ET LEUR
PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne une technique de nitruration par plasma pcur réaliser un pré-traitement de pièces d'acier à revêtir d'un film dur, suivi par la formation d'un film dur sur les pièces par un procédé PVD (dépôt en phase gazeuse par procédé physique) et, plus particulièremen 'invention se rapporte à des produits composites en acier revêtus en double couche dont le film de revêtement dur se rompt difficilement et présente une résistance à l'usure et une résistance à l'oxydation particulièrement élevées, ainsi qu'à un procédé de fabrication de ces produits.
PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne une technique de nitruration par plasma pcur réaliser un pré-traitement de pièces d'acier à revêtir d'un film dur, suivi par la formation d'un film dur sur les pièces par un procédé PVD (dépôt en phase gazeuse par procédé physique) et, plus particulièremen 'invention se rapporte à des produits composites en acier revêtus en double couche dont le film de revêtement dur se rompt difficilement et présente une résistance à l'usure et une résistance à l'oxydation particulièrement élevées, ainsi qu'à un procédé de fabrication de ces produits.
La formation d'un film dur par un procédé PVD est avantageuse du fait que le film peut être réalisé à une température relativement basse. Comme pré-traitement pour la formation d'un film dur sur des pièces d'acier à revêtir d'un tel film, on effectuait généralement jusqu'à présent un traitement composite consistant à soumettre au préalable la surface des pièces à une nitruration par plasma pour ainsi former un revêtement à base de nitrure sur les surfaces, puis à former un film dur sur e revêtement de nitrure de façon à améliorer l'adhérence et a durabilité du film dur ainsi constitué.
Avec la nitruratlon par plasma actuelle, il est possible de traiter de manière uniforme la surface de pièces métalliques comportant des fores relativement simples et ne présentant pas de petites irrégularités de surface en vue de former une couche de nitrure sur celles-ci. I1 est également possible de forer une ouche dure mince présentant une épaisseur de 5 à 15 micromètres à la surface de pièces métalliques sans augmenter sensiblement leur rugosité de surface.
Il est bien connu de revêtir la surface de matériaux d'acier tels que des outils et des moules à l'aide d'un film de TiN par un procédé PVD utilisé pour la métallisation par voie ionique, en sorte d'améliorer la résistance à l'usure desdits matériaux. Cependant, les nitrures métalliques tels
TiN présentent l'inconvénient qu'ils sont facilement oxydés à haute température et que leur résistance à l'usure diminue de manière très sensible au fait de la couche d'oxyde fragile formée par l'oxydation. Par suite, on n'obtient pas des effets suffisants pour des outils destinés au travail de matériaux d'acier dur ou ae matériaux difficilement entaillables ainsi que pour des moules travaillant à chaud.
TiN présentent l'inconvénient qu'ils sont facilement oxydés à haute température et que leur résistance à l'usure diminue de manière très sensible au fait de la couche d'oxyde fragile formée par l'oxydation. Par suite, on n'obtient pas des effets suffisants pour des outils destinés au travail de matériaux d'acier dur ou ae matériaux difficilement entaillables ainsi que pour des moules travaillant à chaud.
Un film de TiAlN a été proposé pour remédier au problème de l'oxydation du TiN. Par exemple, w.D. Muntz et al de la
Société Peiboltherens Co cr. mis en évidence que le TiAlN possédait une bonne résistance à l'oxydation (cf. J. Vac Sci.
Société Peiboltherens Co cr. mis en évidence que le TiAlN possédait une bonne résistance à l'oxydation (cf. J. Vac Sci.
Technol., A4, 2,17 (196)).
Le film de TiAlN mentionné ci-dessus présente une résistance accrue due l'adjonction d'aluminium, mais présente le problème que les caractéristiques mécaniques du film sont amoindries au fur et à mesure que s'accroît la quantité d'aluminium. Par suite, lorsque le film est appliqué sur des outils, il réduit leur qualité. Puisque l'aluminium est ajouté essentiellement pour remédier aux défauts du film de TiN, le film de TiAlN souffre d'un abaissement de la ténacité et présente des caractéristiques mécaniques insuffisantes en comparaison avec le TiN.
L'amoinarissement des caractéristiques mécaniques provoqué par I'adjoction d'aluminium devient particulièrement marquant lorsque la quantité d'aluminium dans le film de TiAlN dépasse 10 5 en mol sur la base des composants métalliques. Un film de TiAlN comportant une quantité d'aluminium inférieure à 10% présente des caractéristiques décan quels semblables à celles d'un film de
TiN, mais aucun effet substantiel n'est obtenu quant à la résistance à l'oxydation par l'adjonction d'aluminium à une concentration aussi faible. En vue de compenser les effets contradictoires, à savoir l'amoindrissement des caractéristiques mécaniques et l'amélioration de la résistance à l'oxydation due à l'adjonction d'aluminium, on a proposé un film ayant une structure dans laquelle la concentration en aluminium varie de manière continue. Par exemple, le brevet japonais publié Hei 2-170965 propose une structure de film ayant un gradient de concentration en aluminium, dans laquelle la concentration en aluminium augmente en direction de la surface et atteint la concentration en aluminium maximale à la surface.
TiN, mais aucun effet substantiel n'est obtenu quant à la résistance à l'oxydation par l'adjonction d'aluminium à une concentration aussi faible. En vue de compenser les effets contradictoires, à savoir l'amoindrissement des caractéristiques mécaniques et l'amélioration de la résistance à l'oxydation due à l'adjonction d'aluminium, on a proposé un film ayant une structure dans laquelle la concentration en aluminium varie de manière continue. Par exemple, le brevet japonais publié Hei 2-170965 propose une structure de film ayant un gradient de concentration en aluminium, dans laquelle la concentration en aluminium augmente en direction de la surface et atteint la concentration en aluminium maximale à la surface.
Dans le procédé de nitruration par plasma de l'art antérieur, si les pièces métalliques présentent de fines encoches, ouvertures ou rainures, ou si des pièces métalliques de formes différentes sont soumises à une nitruration par plasma simultanément, du fait que le plasma est localisé pour traiter des parties de l'élément métallique, la distribution du plasma n'est pas uniforme, la nitruration par plasma n'est pas appliquée de manière égale à la surface des pièces métalliques, ou bien des surchauffes locales surviennent, lesquelles font monter la température de manière anormale à la surface des pièces métalliques, ce qui entraîne la détérioration des caractéristiques des pièces.
Par suite, il est impossible de réaliser une nitruration uniforme à la surface des pièces métalliques et, même si un film dur est formé par un procédé PVD sur de telles pièces métalliques soumises à une nitruration non-uniforme, l'adhérence ou la durabilité du film varie de manière tres importante.
En outre, afin d'améliorer l'adhérence ou la durabilité du film obtenu en formant un revêtement de nitrure (revêtement par diffusion) en effectuant une nitruration par plasma, il est nécessaire de former un revêtement de nitrure d'environ 30 à 500 micromètres sur les pièces métalliques.
Cependant, lorsqu'un revêtement de nitrure (revêtement par diffusion) d'environ 30 à 500 micromètres d'épaisseur est formé sur les pièces métalliques à l'aide du procédé de nitruration par plasma de l'art antérieur, la rugosité de surface des pièces métalliques est accrue par la pulvérisation en fine poudre provoquée par la métallisation ou analogue, ou bien un revêtement composite fragile est constitué. Ensuite, lorsque le film est formé, son adhérence se détériore et l'adhérence ou la durabilité du film dur formé après la nitruration par plasma ne peut plus être améliorée alors que les caractéristiques du film dur sont plutôt amoindries.
La présente invention vise à remédier aux problèmes rappelés ci-dessus en proposant des produits composites en acier revêtus en double couche réalisés par une application uniforme d'une nitruration par plasma sur la totalité de la surface de pièces métalliques de formes différentes, de manière simultanée, ou bien en maintenant l'état de surface des pièces métalliques, puis la formation d'un film dur de manière continue par un procédé PVD dans un même dispositif ou des dispositifs distincts, en sorte de former un film dur possédant une grande adhérence et une grande durabilité à la surface des pièces métalliques, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels produits composites en acier revêtus en double couche.
En outre, compte-tenu du fait qu'un film de TiAlN est remarquablement bon en ce qui concerne la résistance à l'oxydation, en comparaison avec un film de TiN, mais ne procure aucun avantage lorsqu'il est appliqué sur un outil de travail, etc... à cause de sa faible ténacité, la présente invention propose également de réaliser des produits composites en acier revêtus en double couche présentant à la fois une résistance à l'oxydation et une résistance à l'usure, adhérant de manière remarquable au substrat et ayant une excellente durabilité, en appliquant une nitruration par plasma sur la totalité de la surface de pièces métalliques de différentes formes, de manière simultanée ou en maintenant l'état de surface des pièces métalliques, puis en formant un film dur de manière continue par un procédé PVD dans le même dispositif ou des dispositifs distincts, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels produits composites en acier à double couche.
Une première caractéristique de la présente invention réside dans un procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche consistant à appliquer une décharge lumineuse à une densité de courant comprise entre
2 0,001 et 2,0 mA/cm2 à la surface des pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 6500C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma pour former un revêtement de nitrure et de constituer, sur le revêtement de nitrure, un film dur comportant un nitrure, carbure, et/ou carbonitrure de l'un au moins des éléments choisis dans le groupe formé par le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome (le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome), par un procédé PVD, ou un film lamellaire ou un film lamellaire à gradient de concentration, ces films étant de même nature que le film dur.
2 0,001 et 2,0 mA/cm2 à la surface des pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 6500C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma pour former un revêtement de nitrure et de constituer, sur le revêtement de nitrure, un film dur comportant un nitrure, carbure, et/ou carbonitrure de l'un au moins des éléments choisis dans le groupe formé par le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome (le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome), par un procédé PVD, ou un film lamellaire ou un film lamellaire à gradient de concentration, ces films étant de même nature que le film dur.
Une autre caractéristique de la présente invention réside dans des produits composites en acier revêtus en double couche comportant un premier revêtement d'une couche de nitrure formée par nitruration par plasma et un second revêtement d'un film dur comportant un nitrure, carbure et/ou carbonitrure, d'un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, déposé sur le premier revêtement par le procédé PVD ou d'un film lamellaire ou d'un film lamellaire à gradient de concentration, ces films étant de même nature que le film dur.
Un autre objet de la présente invention réside dans des produits composites en acier revêtus en double couche résistant à l'oxydation et à l'usure et comportant un premier revêtement d'une couche de nitrure formée par application d'une décharge lumineuse à une densité de courant comprise entre 0,001 et 2,0 mA/cm2 à la surface de pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 6500C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma à la surface des pièces métalliques, et un second revêtement formé par un film lamellaire de TiAlN sur le premier revêtement par un procédé PVD.
Encore une autre caractéristique de la présente invention réside dans des produits composites en acier revêtus en double couche, dans lesquels le second revêtement comporte un film lamellaire dans lequel la concentration d'aluminium dans le film de TiAlN varie de manière continue, un film à gradient de concentration en aluminium varie de manière continue ou bien un film lamellaire à gradient de concentration dans lequel une variation intermittente et une variation continue de la concentration en aluminium sont présentes simultanément.
Encore un autre objet de la présente invention réside dans des produits composites en acier revêtus en double couche dans lesquels une couche intermédiaire comportant un nitrure, carbure et/ou carbonitrure d'un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, est insérée entre le film de TiAlN et les pièces métalliques à raison d'au moins 904 de l'épaisseur totale du film par un procédé PVD.
Les aciers susceptibles d'être traités dans la présente invention peuvent inclure des aciers à ressorts tels que SUP 10, des aciers à roulements à billes tels que SUJ 2, des aciers nitrurés tels que SACM 645, des aciers pour travail à chaud tels que SKD 61, des aciers pour travail à froid tels que SKD 11, des aciers rapides tels que SKH 51, des aciers résistant à la chaleur tels que SUS 301, des aciers pour pièces mécaniques tels que SCR 20 et des aciers résistant à la chaleur et aux acides tels que SUS 410.
En outre, les produits susceptibles d'être traités selon la présente invention peuvent inclure des matrices CD et diverses sortes de pièces métalliques ayant des formes planes relativement simples, ainsi que des vis pour machines de moulage par extrusion, des vis pour mélangeurs-agitateurs, des matrices de moulage pour des pièces mécaniques, des engrenages de véhicules, des pièces de moteurs, diverses sortes de matrices pour l'extrusion de l'aluminium, ainsi que des outils coupants et des forets ou des fraises, ayant des formes complexes.
Au cours de la nitruration par plasma pour former le revêtement de nitrure comme premier revêtement de la présente invention, la température des pièces métalliques se situe entre 300 et 6500C pour les raisons suivantes.
En particulier, il est nécessaire de chauffer les pièces métalliques à une température comprise entre 300 et 6500C afin de faire réagir rapidement les pièces métalliques avec les ions azote et de les chauffer à une température de réaction permettant de réaliser la réaction dans des conditions acceptables économiquement.
Ceci résulte du fait que la réaction de nitruration par plasma est extrêmement lente à une température inférieure à 3000C, tandis que les nitrures, une fois formés, sont décomposés et qu'aucune nitruration n'intervient à une température supérieure à 6500C. De plus, les pièces à traiter ne peuvent pas être chauffées et maintenues à la température prédéterminée indiquée ci-dessus uniquement par la décharge lumineuse à densité de courant de 0,001 à 2,0 mA/cm2 utilisée dans la présente invention et, en conséquence, un moyen de chauffage est nécessaire.
Un chauffage électrique, un chauffage à gaz ou autre, peut être utilisé comme moyen de chauffage, le chauffage électrique étant le plus facile d'usage. Quand une source de chaleur est disposée à l'intérieur ou à l'extérieur d'une chambre à vide de mise en oeuvre de la nitruration par plasma, on peut aisément réaliser une élévation de température programmée ou un maintien en température en coopération avec un dispositif de commande automatique.
Comme gaz, au cours de la nitruration par plasma, on peut utiliser du gaz ammoniac (NH3) ou de l'hydrogène gazeux (H2), puisque l'ammoniac gazeux se décompose en N et H qui sont directement convertis en azote (N2) et en hydrogène (H2) lesquels n'entraînent pas une réaction de nitruration suffisante, si la densité du courant de plasma est élevée.
Cependant, l'ammoniac gazeux est stable comme les radicaux ammoniac dans une plage de faible densité de courant de plasma, tandis que l'hydrogène gazeux agit comme gaz auxiliaire pour effectuer de manière stable la radicalisation de l'ammoniac gazeux par décharge électrique. Un rapport en volume NH3/H2 préféré se situe entre 1/100 et 1/0 et, de préférence, entre 1/10 et 3/1. Si le rapport en volume NH3/H2 est inférieur à 1/100, il ne se produit pas de réaction de nitruration par plasma suffisante. Dans le cas où l'on ne fournit pas d'hydrogène gazeux, puisque de l'hydrogène est engendré comme gaz auxiliaire par la décomposition de NH3, on utilise cet hydrogène décomposé. Afin de stabiliser le plasma, on peut également ajouter du gaz argon ou similaire.
Dans la présente invention, le courant de formation de plasma appliqué à la surface des pièces métalliques se situe entre 0,001 à 2,0 mA/cm2, du fait que la décharge lumineuse est utilisée exclusivement pour convertir l'ammoniac et l'hydrogène gazeux en plasma et ne dégage aucun excès de chaleur lorsque l'on est à l'intérieur de ladite plage de densité de courant. Si la densité de courant est inférieure à 0,001 mA/cm2, on n'obtient pas une formation de plasma suffisante. D'un autre côté, si la densité de courant dépasse 2,0 mA/cm2, il se produit une surchauffe locale à la surface des pièces métalliques ne permettant pas d'obtenir la nitruration dans les interstices ou dans les rainures. Une densité de courant à l'intérieur d'une plage comprise entre 0,001 et 0,5 mA/cm2 est particulièrement préférable en vue de réaliser un traitement par nitruration de pièces métalliques à surfaces polies, tout en maintenant l'état de surface tel qu'il est.
L'épaisseur du revêtement de nitrure constituant le premier revêtement (revêtement par diffusion) est choisie de manière appropriée dans une plage de 5 à 500 micromètres et, de préférence, 20 à 200 micromètres, en fonction de la structure de film du film dur constituant le second revêtement. Si l'épaisseur du revêtement de nitrure (revêtement par diffusion) est inférieure à 5 micromètres, l'adhérence du film dur constituant le second revêtement ne peut être améliorée. D'un autre côté, si l'épaisseur dépasse 500 micromètres, les pièces deviennent elles-mêmes fragiles et présentent des résistance aux chocs et durabilité faibles.
La décharge lumineuse pour former le plasma peut être soit une décharge à courant continu, soit une décharge radiofréquence.
Il n'y a pas de restriction particulière en ce qui concerne la chambre à vide pour effectuer la nitruration par plasma pourvu que cette chambre comporte essentiellement une électrode de décharge lumineuse et une canalisation d'acheminement des gaz au générateur de plasma ainsi qu'un conduit d'aspiration relié à une pompe à vide.
Dans la présente invention, on choisit le procédé PVD pour réaliser le film dur parce qu'un revêtement de nitrure formé par nitruration par plasma est perdu par diffusion si on utilise un procédé de formation de film à haute température tel qu'un procédé CVD (dépôt chimique en phase vapeur) thermique. Du fait que le procédé PVD peut former un film à une température inférieure à 6500C, il n'entrains pas d'effet indésirable sur une couche de nitrure constituée par nitruration par plasma.
Le procédé PVD inclut, par exemple, une métallisation par voie ionique et l'utilisation du procédé de revêtement par voie ionique est souhaitable car un film possédant une forte capacité d'adhérence apte à améliorer la résistance à l'usure par frottement peut être formé sans amoindrir le revêtement dur de surface de la couche de nitrure par le chauffage lors de la formation du film.
Le procédé de métallisation par voie ionique est d'une manière générale adapté à la vaporisation d'un métal et a l'ionisation du métal vaporisé et, en outre, accélère les molécules de métal ionisées par un champ électrique dans une atmosphère gazeuse réactive et aide à leur fixation à la surface d'un substrat. Comme source métallique, dans le cas de la formation d'un film tel qu'un film de TiAiN comprenant un mélange de deux métaux ou plus, on peut utiliser des sources de vaporisation pour les métaux respectifs, mais un alliage Ti-Al peut être utilisé par exemple dans le cas de la formation d'un film de TiAlN au lieu d'utiliser chacun des métaux. Les vapeurs des métaux respectifs sont fournies à un débit approprié en utilisant la ou les sources de vaporisation de métaux purs ou un alliage de composition différente seul ou en groupe en même temps.
Comme moyen de vaporisation du métal, on peut utiliser n'importe quel procédé de chauffage par résistance électrique ou le chauffage par canon à électrons prévu dans les dispositifs de métalisation par voie ionique. En outre, le métal vaporisé peut être ionisé par l'un quelconque des moyens connus, tels que décharge par arc cathodique, décharge lumineuse, décharge radio-fréquence, ou par un procédé utilisant une électrode d'ionisation et une cathode creuse.
Parmi ces moyens, la métallisation ionique du type à décharge par arc cathodique, qui est un procédé de vaporisation et d'ionisation métallique simultané, présente une efficacité d'ionisation du métal élevée en comparaison avec les autres procédés et est approprié à la formation d'un film possédant une adhérence élevée.
En outre, lorsqu'on utilise un chauffage par bombardement ionique pour chauffer un substrat avant la formation du film, ce chauffage est effectué a l'aide d'ions métalliques. De préférence, le champ électrique d'accélération des ions métalliques est à une tension située entre -500 et -2000 Volts et, mieux, entre -800 et -1500
Volts.
Volts.
Pour préparer un film dur, un ou plusieurs des métaux choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome sont utilisés comme source de vaporisation et N2, NH3, des hydrocarbures ou des composés organiques à base d'azote, par exemple (CH3)3N, peuvent être utilisés comme gaz de réaction.
La pression du gaz de réaction, bien que variable selon les types de gaz utilisés, peut être choisie de maniere appropriée dans une plage entre 10 3 et 101 Torr.
La tension d'accélération du métal ionisé lors de la formation du film dur est de préférence entre -0 Volt et -700
Volts et, mieux, entre -50 Volts et -500 Voltes.
Volts et, mieux, entre -50 Volts et -500 Voltes.
Le film dur de la présente invention est un film céramique et puisqu'il a une dureté Vickers comprise entre 1500 et 3000 et présente un faible coefficient de friction en comparaison avec les métaux connus, procure une excellente résistance à l'usure.
Cependant, si l'épaisseur dépasse 10 micromètres, la fragilité inhérente aux céramiques est susceptible de provoquer des craquelures ou des éclats, si bien que l'épaisseur du film dur est de préférence inférieure a 10 micromètres. D'un autre côté, si l'épaisseur du film dur est inférieure à 1 micromètre, le film dur obtenu ne présente pas les caractéristiques suffisantes. Par suite, l'épaisseur du film dur est de préférence comprise entre 1 et 4 micromètres et typiquement de 3 micromètres.
Le TiN est un matériau ayant une structure cristalline de type B1. En remplaçant le revêtement de TiN par le revêtement de TiAiN, dans lequel une partie du titane est remplacée par de l'aluminium, le materiau présente la même structure de type B1 que le TiN tant que la proportion d'aluminium ne dépasse pas 70 % en mol par rapport aux constituants métalliques du TiAlN. Si la concentration en aluminium dépasse 70%, la structure cristalline change et les propriétés mécaniques du film sont réduites fortement de manière indésirable.
Aucun revêtement d'oxyde dense n'est formé a la surface du film de TiAlN avec de l'aluminium à l'état "solidesolubilisé" lorsque le film est exposé à une atmosphere oxydante, afin de servir de couche protectrice. Cependant, elle a aussi une fonction de préservation du film vis à vis d'une dégradation par oxydation provenant d'un chauffage généré par abrasion, par exemple dans un outil de coupe.
Puisque les performances s'améliorent au fur et a mesure que s'élève la concentration en aluminium, il est préférable que cette concentration soit au moins supérieure à 20% afin de procurer une résistance à l'oxydation suffisante.
Puisque l'aluminium est présent afin d'améliorer le film de TiAlN, ce film présente une ténacité faible en comparaison avec TiN. Par suite, lorsque le substrat subit des déformations élastiques et plastiques, le film de TiAlN ne peut pas suivre les déformations et subit une destruction.
Dans la présente invention, cependant, les déformations élastiques et plastiques du substrat surviennent moins du fait de l'existence de la couche de nitrure (revêtement par diffusion) constituant le premier revêtement et, de plus, la tenacité du film est améliorée en comparaison avec un film de revêtement simple de TiAiN en modifiant la concentration d'aluminium dans le film de TiAlN de manière intermittente et/ou continue et, en conséquence, la destruction indiquée ci-dessus ne se produit pas. En outre, la tenacité de la totalité du film est améliorée en interposant une couche intermédiaire ayant une tenacité bien supérieure à celle du film de TiAlN et comprenant un nitrure, carbure ou carbonitrure d'un ou plusieurs métaux choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, entre un premier revêtement d'une couche de nitrure (revêtement par diffusion) et le film TiAlN en proportion d'au moins 90% de l'épaisseur totale du film, par le même procédé PVD que pour le film de TiAiN, en sorte de supprimer la destruction indiquée ci dessus. Il n'est pas souhaitable de donner à la couche intermédiaire une épaisseur supérieure à 90% de l'épaisseur totale du film puisque l'épaisseur du film de TiAlN est réduite et l'on n'obtient pas une résistance à l'oxydation suffisante.
Du fait que les déformations élastiques ou plastiques à la surface du substrat sont substantiellement éliminées, par un double revêtement d'une couche de nitrure en tant que premier revêtement à la surface du substrat sur lequel un film dur est formé en tant que second revêtement, on peut éviter la destruction du film dur provenant de l'impossibilité de suivre les déformations élastiques et plastiques, en sorte d'améliorer la durabilité, notamment la résistance à l'usure, du film.
La figure unique ci-annexée est une vue schématique illustrant la réalisation dans son ensemble d'un dispositif de nitruration par plasma en vue de la mise en oeuvre de la présente invention.
La figure illustre un dispositif de nitruration par plasma comprenant une chambre à vide 1, un moyen de chauffage 2, une électrode à courant continu 3, des pièces métalliques (forets) 4, une alimentation en courant électrique continu 5, un conduit d'aspiration 6, une pompe à vide 7, une vanne 8, une buse 9, des conduits d'amenée 10, des vannes 11, des débitmètres 12 et un hublot 13.
Le moyen de chauffage 2 est noyé dans la paroi périphérique externe de la chambre à vide 1 et l'électrode à courant continu 3 reliée à l'alimentation en courant électrique continu 5 est disposée à l'intérieur de ladite chambre à vide. Le conduit d'aspiration 6 relie la partie inférieure de la chambre à vide à la pompe à vide 7 par l'intermédiaire de la vanne de contrôle de pression 8. Les gaz des matériaux de départ tels que H2, NH3 et Ar sont délivrés par l'intermédiaire des débitmètres 12, des vannes ll et des conduits d'amenee 10, respectivement, à partir de la buse 9 à l'intérieur de la chambre à vide 1. Le hublot 13 est agencé pour l'observation de l'émission de plasma au voisinage de la surface des pièces métalliques 4. Les pièces métalliques 4 sont disposées sur la face supérieure de l'électrode 3.
Le traitement de nitruration et le traitement de formation de film par le procédé PVD en vue de mettre en oeuvre l'invention peuvent être effectués en utilisant des appareils séparés. Le traitement de nitruration par plasma peut être effectué en utilisant l'appareil ci-dessus mais, selon les cas, un appareil comprenant l'appareil de nitruration par plasma et l'appareil PVD intégrés, peut être utilisé. Par exemple, dans le cas de l'utilisation d'une métallisation ionique du type à arc cathodique en tant que procédé PVD, une source de vaporisation à arc est prévue dans la chambre à vide 1 de l'appareil de nitruration par plasma.
Dans un tel appareil de type integré, il est préférable de prévoir un dispositif de chauffage interne agencé sur la paroi interne de la chambre à vide 1 plutôt qu'une structure constituée d'un moyen de chauffage 2 noyé dans la paroi circonférentielle externe de ladite chambre à vide comme dans le dispositif décrit ci-dessus.
EXEMPLE 1
Après nettoyage de forets d'acier rapide SKH 51 (dureté
Vickers Hv = 850) à l'aide d'ondes ultrasoniques dans de l'éthanol, on a disposé lesdits forets sur l'électrode 3 de l'appareil de nitruration représenté sur la figure et on les a soumis à une nitruration par plasma. L'opération de nitruration a été effectuée en mettant en place les forets, en faisant le vide à l'intérieur de la chambre 1 a une valeur de 1 x 10 3 Torr par la pompe à vide 7, en envoyant du gaz hydrogène à 1000 ml/mn tout en poursuivant la mise sous vide, en maintenant la pression à 1 Torr et, en même temps, en chauffant la surface des forets par les moyens de chauffage 2 jusqu'à ce que la surface soit uniformément portée à la température de 500"C. Ensuite, l'alimentation 5 a appliqué une tension de -400 Volts provoquant un plasma par décharge lumineuse à hydrogène et la surface des forets 4 a été traitée pendant 30 minutes.
Après nettoyage de forets d'acier rapide SKH 51 (dureté
Vickers Hv = 850) à l'aide d'ondes ultrasoniques dans de l'éthanol, on a disposé lesdits forets sur l'électrode 3 de l'appareil de nitruration représenté sur la figure et on les a soumis à une nitruration par plasma. L'opération de nitruration a été effectuée en mettant en place les forets, en faisant le vide à l'intérieur de la chambre 1 a une valeur de 1 x 10 3 Torr par la pompe à vide 7, en envoyant du gaz hydrogène à 1000 ml/mn tout en poursuivant la mise sous vide, en maintenant la pression à 1 Torr et, en même temps, en chauffant la surface des forets par les moyens de chauffage 2 jusqu'à ce que la surface soit uniformément portée à la température de 500"C. Ensuite, l'alimentation 5 a appliqué une tension de -400 Volts provoquant un plasma par décharge lumineuse à hydrogène et la surface des forets 4 a été traitée pendant 30 minutes.
Successivement, on a introduit de l'hydrogène et du gaz ammoniac à 2000 ml/mn et 500 ml/mn respectivement dans la chambre à vide 1, la pression a été maintenue à 1,0 Torr, le plasma d'hydrogène et d'ammoniac a été engendré par application d'une tension de -500 Volts et le traitement de nitruration a été réalisé pendant 30 minutes.
Pendant ce temps, la densité du courant envoyé vers les forets a été maintenue à une valeur inférieure à 0,2 mA/cm2 et on a contrôlé le plasma de façon a être engendré uniformément à la surface des forets. L'épaisseur du revêtement dur des forets après traitement a été de 50 micromètres. De plus, on n'a pas observé de modifications de la rugosité de surface avant et après le traitement.
Après le traitement par nitruration, les forets soumis au traitement ont été placés dans un appareil de métallisation ionique du type à arc cathodique comportant une cathode en Titane, l'intérieur de la chambre de réaction a été porté à une pression de 10 5 Torr, ensuite une tension de polarisation de -1000 Volts a été appliquee aux forets et la cathode de Titane a engendré la décharge d'arc. Le courant de décharge d'arc a été dans ce cas de 70 Ampères. Puis, tout en contrôlant la température de surface des forets a l'aide d'un pyromètre, on a poursuivi la décharge d'arc pendant 2 minutes et du titane a été vaporisé et ionisé en sorte de réaliser une métallisation à la surface des forets. Une élévation de température jusqu'à un maximum de 450au à la surface des forets a été observée au cours de la décharge d'arc.
Successivement, on a mis hors tension la cathode de
Titane, on a introduit de l'azote gazeux dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en maintenant l'alimentation en azote en sorte de maintenir la pression dans la chambreà 3 x 10 3 Torr et la cathode de Titane a engendré la décharge d'arc. Dans ce cas, le courant de décharge d'arc a été de 90
Ampères. A la suite de l'application continue d'une décharge d'arc pendant 1 heure, on a formé un revêtement mince dur de
TiN sur le revêtement de nitrure. L'épaisseur du film de TiN était d'environ 3 à 4 micromètres.
Titane, on a introduit de l'azote gazeux dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en maintenant l'alimentation en azote en sorte de maintenir la pression dans la chambreà 3 x 10 3 Torr et la cathode de Titane a engendré la décharge d'arc. Dans ce cas, le courant de décharge d'arc a été de 90
Ampères. A la suite de l'application continue d'une décharge d'arc pendant 1 heure, on a formé un revêtement mince dur de
TiN sur le revêtement de nitrure. L'épaisseur du film de TiN était d'environ 3 à 4 micromètres.
On a mesuré la dureté Vickers à la surface des forets en acier SKH 51 soumis au traitement ci-dessus. La dureté
Vickers de produits de l'art antérieur non soumis à une telle nitruration par plasma a été de 1600 Hv (100 g) cependant que l'accroissement de la dureté jusqu'à 1850 Hv (100 g) a été vérifié pour des produits selon la présente invention soumis à une nitruration par plasma comme pré-traitement et il a été observé qu'il y avait moins de déformations provoquées à la surface des forets.
Vickers de produits de l'art antérieur non soumis à une telle nitruration par plasma a été de 1600 Hv (100 g) cependant que l'accroissement de la dureté jusqu'à 1850 Hv (100 g) a été vérifié pour des produits selon la présente invention soumis à une nitruration par plasma comme pré-traitement et il a été observé qu'il y avait moins de déformations provoquées à la surface des forets.
En outre, un essai de rayure destiné à mesurer les valeurs de charges critiques pour ce qui concerne l'adhérence et la durabilité du film TiN, a donné une valeur de 47 Newton (N) pour les produits de l'art antérieur non soumis à une nitruration par plasma, alors que les produits de la présente invention ont révélé une valeur élevée de 53 Newtons (N), et il a été observé que l'adhérence et la durabilité de films
TiN ainsi formés étaient améliorées.
TiN ainsi formés étaient améliorées.
Par ailleurs, un essai de coupe a été effectué sur les forets dans les conditions suivantes et a permis d'observer que dans le produit selon la présente invention soumis à la nitruration par plasma, le nombre de trous qui a pu être percé (performance de coupe) s'est accru d'environ 4 à 6 fois en comparaison avec les produits de l'art antérieur non nitrurés.
<tb>
<SEP> (Conditions <SEP> de <SEP> l'essai <SEP> de <SEP> coupe)
<tb> Matière <SEP> à <SEP> découper <SEP> SCM <SEP> 440
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> rotation <SEP> du <SEP> foret <SEP> 1500 <SEP> tours/mn
<tb> Vitesse <SEP> d'avance <SEP> 0,15 <SEP> mm/tour
<tb> Profondeur <SEP> de <SEP> coupe <SEP> 20 <SEP> mm
<tb>
ExemPle comparatif NO 1
Un essai de coupe a été effectué dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1 sur des forets obtenus par nitruration par un procédé de nitruration ionique connu à 430"C pendant 15 minutes de pièces chauffantes à traiter et en générant une réaction de nitruration en utilisant un appareil de nitruration par plasma dans lequel une chambre à vide a été refroidie et en utilisant un plasma à ourant continu de N2 et de H2, et en formant un film TiN par le même procédé de métalisation par voie ionique que dans l'exemple 1. Bien que les performances de coupe aient été améliorées en comparaison avec des produits de l'art antérieur non soumis à la nitruration, on a constaté une amélioration maximale seulement de l'ordre du double.
<tb> Matière <SEP> à <SEP> découper <SEP> SCM <SEP> 440
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> rotation <SEP> du <SEP> foret <SEP> 1500 <SEP> tours/mn
<tb> Vitesse <SEP> d'avance <SEP> 0,15 <SEP> mm/tour
<tb> Profondeur <SEP> de <SEP> coupe <SEP> 20 <SEP> mm
<tb>
ExemPle comparatif NO 1
Un essai de coupe a été effectué dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1 sur des forets obtenus par nitruration par un procédé de nitruration ionique connu à 430"C pendant 15 minutes de pièces chauffantes à traiter et en générant une réaction de nitruration en utilisant un appareil de nitruration par plasma dans lequel une chambre à vide a été refroidie et en utilisant un plasma à ourant continu de N2 et de H2, et en formant un film TiN par le même procédé de métalisation par voie ionique que dans l'exemple 1. Bien que les performances de coupe aient été améliorées en comparaison avec des produits de l'art antérieur non soumis à la nitruration, on a constaté une amélioration maximale seulement de l'ordre du double.
EXEMPLE 2
Une nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 1 pendant 30 minutes en utilisant des forets réalisés en acier rapide pour outils SKH 51. La profondeur de la couche durcie était de l'ordre de 50 micromètres. Les forets ont été placés dans un dispositif de métalisation par voie ionique du type à arc cathodique muni d'une cathode au titane et, après mise de l'intérieur de la chambre de réaction à une pression de 10 5 Torr, une tension de polarisation de -1000 Volts a été appliquée aux forets et une décharge par arc a été générée par la cathode au titane. Le courant de décharge par arc était de 70 ampères. Ensuite, la décharge par arc a été poursuivie pendant 2 minutes tout en contrôlant la température à la surface du substrat par un pyromètre, le titane a été vaporisé et ionisé en sorte de réaliser un traitement de projection à la surface des forets. L'élévation de la température jusqu'à un maximum de 4500C à la surface des forets a été remarquée pendant la décharge par arc.
Une nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 1 pendant 30 minutes en utilisant des forets réalisés en acier rapide pour outils SKH 51. La profondeur de la couche durcie était de l'ordre de 50 micromètres. Les forets ont été placés dans un dispositif de métalisation par voie ionique du type à arc cathodique muni d'une cathode au titane et, après mise de l'intérieur de la chambre de réaction à une pression de 10 5 Torr, une tension de polarisation de -1000 Volts a été appliquée aux forets et une décharge par arc a été générée par la cathode au titane. Le courant de décharge par arc était de 70 ampères. Ensuite, la décharge par arc a été poursuivie pendant 2 minutes tout en contrôlant la température à la surface du substrat par un pyromètre, le titane a été vaporisé et ionisé en sorte de réaliser un traitement de projection à la surface des forets. L'élévation de la température jusqu'à un maximum de 4500C à la surface des forets a été remarquée pendant la décharge par arc.
Successivement, l'application de la tension à la cathode au titane a été interrompue, et une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant un mélange de gaz d'azote, d'acétylène et d'argon dans la chambre de réaction et une décharge par arc a été générée par la cathode au titane. Le courant de décharge par arc était de 90 ampères. A la suite d'une décharge par arc continue pendant une heure, une couche de revêtement dure d'un film de
TiAlN a été formée sur la couche de nitrure. L'épaisseur du film de TiCN était de l'ordre de 3 à 4 micromètres.
TiAlN a été formée sur la couche de nitrure. L'épaisseur du film de TiCN était de l'ordre de 3 à 4 micromètres.
A la suite d'un essai de coupe effectué dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1 pour les forets soumis au traitement décrit ci-dessus, on a également remarqué pour les produits conformes à la présente invention que les performances de coupe ont été améliorées d'environ 4 à 6 fois en comparaison avec les produits de l'art antérieur non nitrurés.
EXEMPLE 3
Après nettoyage de forets (diamètre 6mm) d'acier rapide
SKH 51 (dureté Vickers : HV = 850) par des ondes ultrasonores dans un solvant organique, on les a placés dans un four à chauffage extérieur du type d'un appareil de nitruration par plasma et soumis à une nitruration par plasma. L'intérieur de la chambre à vide 1 a été porté à une pression de i x
Torr par la pompe à vide 7, un gaz hydrogène a été introduit à une vitesse de 1000 ml/mn tout en continuant la mise sous vide, pour maintenir la pression à 1 Torr et, en même temps, les forets ont été chauffés par le moyen de chauffage 2 jusqu'à ce que la surface soit uniformément chauffée à 5000C.
Après nettoyage de forets (diamètre 6mm) d'acier rapide
SKH 51 (dureté Vickers : HV = 850) par des ondes ultrasonores dans un solvant organique, on les a placés dans un four à chauffage extérieur du type d'un appareil de nitruration par plasma et soumis à une nitruration par plasma. L'intérieur de la chambre à vide 1 a été porté à une pression de i x
Torr par la pompe à vide 7, un gaz hydrogène a été introduit à une vitesse de 1000 ml/mn tout en continuant la mise sous vide, pour maintenir la pression à 1 Torr et, en même temps, les forets ont été chauffés par le moyen de chauffage 2 jusqu'à ce que la surface soit uniformément chauffée à 5000C.
Ensuite une tension de -400 Volts a été appliquée par l'alimentation en courant continu pour engendrer un plasma par décharge lumineuse à courant continu avec le gaz hydrogène et la surface des forets 4 a été traitée pendant 30 mn. Successivement, un gaz hydrogène et un gaz ammoniac ont été introduits respectivement à une vitesse de 2000 ml/mn et 500 ml/mn dans la chambre à vide 1, la pression a été maintenue à 1,0 Torr, le plasma de gaz hydrogène et de gaz ammoniac a été généré par l'application d'une tension de -500
Volts et un traitement de nitruration par plasma a été effectué pendant 60 mn. Pendant ce temps, la densité de courant traversant les forets a été maintenue à moins de 0,2 mA/cm2 et le plasma a été contrôlé de façon à être généré uniformément à la surface des forets. L'épaisseur de la couche dure du foret après le traitement était de 100 micromètres. En outre, la rugosité de surface (Ra) était de 0,02 micromètres, ce qui montre qu'aucun changement n'est intervenu avant et après le traitement.
Volts et un traitement de nitruration par plasma a été effectué pendant 60 mn. Pendant ce temps, la densité de courant traversant les forets a été maintenue à moins de 0,2 mA/cm2 et le plasma a été contrôlé de façon à être généré uniformément à la surface des forets. L'épaisseur de la couche dure du foret après le traitement était de 100 micromètres. En outre, la rugosité de surface (Ra) était de 0,02 micromètres, ce qui montre qu'aucun changement n'est intervenu avant et après le traitement.
Après le traitement par nitruration par plasma, les forets soumis à ce traitement ont été placés dans un dispositif de métallisation par voie ionique du type à arc cathodique, muni d'une cible Ti-Al présentant une proportion d'aluminium de 60 mol % et une cible au titane, l'intérieur de la chambre de réaction a été porté à une pression de
Torr, ensuite une tension de polarisation de -1000 Volts a été appliquée aux forets, et une décharge par arc a été générée par la cathode au titane. Le courant de décharge par arc était dans ce cas de 90 ampères. Ensuite, tout en contrôlant la température de surface des forets par un pyromètre, la décharge par arc a été poursuivie pendant 2 mn et le titane a été vaporisé et ionisé pour réaliser un traitement de projection à la surface des forets. L'élévation de la température jusqu'à un maximum de 450"C à la surface des forets a été observée pendant la décharge par arc.
Torr, ensuite une tension de polarisation de -1000 Volts a été appliquée aux forets, et une décharge par arc a été générée par la cathode au titane. Le courant de décharge par arc était dans ce cas de 90 ampères. Ensuite, tout en contrôlant la température de surface des forets par un pyromètre, la décharge par arc a été poursuivie pendant 2 mn et le titane a été vaporisé et ionisé pour réaliser un traitement de projection à la surface des forets. L'élévation de la température jusqu'à un maximum de 450"C à la surface des forets a été observée pendant la décharge par arc.
Successivement, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue, un gaz d'azote a été introduit dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant 1' azote en sorte de maintenir la pression dans la chambre à 3 x 10 3 Torr et une décharge par arc a été générée par la cathode en titane. Le courant de décharge par arc était dans ce cas de 90 ampères. A la suite d'une décharge par arc continue pendant une heure, une couche dure de film TiAlN (seconde couche) a été formée sur le revêtement de nitrure (première couche). La mesure de l'épaisseur du film résultant par un procédé à pénétration de bille a été de 2,8 micromètres. La mesure de la dureté de surface à l'aide d'une jauge Vickers sous une charge de 25 grammes a été de
Hv 2430.
Hv 2430.
En outre, un essai de rayure a donné une valeur de charge critique (valeur Lc) de 45 Newtons. La concentration d'aluminium dans le film était de 55,2 %, mesurée par un microanalyseur à faisceau électronique (EPMA).
En outre, un essai de coupe a été effectué avec les forets en utilisant du SCM 440 comme élément à découper, et dans des conditions de vitesse de rotation de 1500 tours/mn, de vitesse d'avance de 0,15 mm/tour et avec une profondeur de coupe de 20 mm. Il en est résulté qu'il a été possible de réaliser 460 perçages.
EXEMPLE 4
Après avoir effectué une nitruration par plasma pendant 30 mn avec les mêmes procédures que celles de l'exemple 3 et avoir effectué un traitement préparatoire de projection de la même manière que dans l'exemple 3, de l'azote gazeux a été d'abord introduit dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote de sorte que la pression dans la chambre soit maintenue à 3 x 10 2 Torr, et une décharge par arc a été générée par la cathode en titane pour obtenir un film de titane. La décharge par arc a été poursuivie pendant 30 mn.
Après avoir effectué une nitruration par plasma pendant 30 mn avec les mêmes procédures que celles de l'exemple 3 et avoir effectué un traitement préparatoire de projection de la même manière que dans l'exemple 3, de l'azote gazeux a été d'abord introduit dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de -400 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote de sorte que la pression dans la chambre soit maintenue à 3 x 10 2 Torr, et une décharge par arc a été générée par la cathode en titane pour obtenir un film de titane. La décharge par arc a été poursuivie pendant 30 mn.
Ensuite, l'application d'une tension à la cathode en titane a été interrompue, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée successivement aux forets, et une décharge par arc a été générée par la cathode Ti-Al pour obtenir un film de TiAlN. Le courant de décharge par arc était de 90 ampères.
La décharge par arc a été poursuivie pendant 30 mn.
L'épaisseur du revêtement de nitrure obtenu (revêtement de diffusion) était de 50 micromètres. L'épaisseur totale du film résultant était de 3 micromètres et l'épaisseur de chacune des couches était de 1,5 micromètre. La dureté de surface était de Hv 2390 et la valeur Lc était de 54 Newtons.
La concentration en aluminium à la surface du film était de 54,1 %. En outre, un essai de coupe identique à celui de l'exemple 3, a montré qu'il était possible de réaliser 520 perçages.
EXEMPLE 5
La nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 3, et une décharge par arc a été générée par la cathode en titane de la même manière que dans l'exemple 3 tout en disposant les forets dans un dispositif de métallisation par voie ionique du type à arc cathodique muni d'une cible en titane et d'une cible en aluminium. Après traitement préparatoire par projection de la surface des forets, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue, de l'azote gazeux a été introduit dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de 500 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote en sorte de maintenir la pression dans la chambre b 3 x 10 2 Torr, et une décharge par arc a été générée avec un courant de décharge par arc de la cathode en titane de 60 ampères et un courant de décharge par arc de la cathode en aluminium de 40 ampères. Par la suite, le courant total de décharge par arc pour les deux cathodes a été maintenu a 100 ampères, et la décharge par arc a été poursuivie pendant 60 mn tout en diminuant le courant de manière continue à 40 ampères pour la cathode en titane et en augmentant graduellement le courant de manière continue à 60 ampères pour la cathode en aluminium.
La nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 3, et une décharge par arc a été générée par la cathode en titane de la même manière que dans l'exemple 3 tout en disposant les forets dans un dispositif de métallisation par voie ionique du type à arc cathodique muni d'une cible en titane et d'une cible en aluminium. Après traitement préparatoire par projection de la surface des forets, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue, de l'azote gazeux a été introduit dans la chambre de réaction, une tension de polarisation de 500 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote en sorte de maintenir la pression dans la chambre b 3 x 10 2 Torr, et une décharge par arc a été générée avec un courant de décharge par arc de la cathode en titane de 60 ampères et un courant de décharge par arc de la cathode en aluminium de 40 ampères. Par la suite, le courant total de décharge par arc pour les deux cathodes a été maintenu a 100 ampères, et la décharge par arc a été poursuivie pendant 60 mn tout en diminuant le courant de manière continue à 40 ampères pour la cathode en titane et en augmentant graduellement le courant de manière continue à 60 ampères pour la cathode en aluminium.
L'épaisseur totale du film résultant était de 3,5 micromètres. La dureté de surface était de Hv 2400, et la valeur Lc était de 49 Newtons. La concentration en aluminium dans le film est passée d'environ 34 % à 58 % en direction de la surface du film et présentait une structure à gradient de concentration dans laquelle la concentration d'aluminium avait augmenté en direction de la surface du film. En outre, un essai de coupe identique à celui de la figure 3 a montré qu'il était possible de réaliser 490 perçages.
EXEMPLE 6
La nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 3, et après avoir placé les forets dans un dispositif de métalisation par voie ionique du type a arc cathodique muni d'une cible TiAl présentant une concentration d'aluminium de 70 mol % et d'une cible en titane et avoir généré une décharge de la cathode en titane et un traitement préparatoire par projection à la surface des forets de la même manière que dans l'exemple 3, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue, de l'azote gazeux a été introduit dans la chambre - de réaction, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote en sorte de maintenir la pression dans la chambre à 3 x 10 2 Torr et un film de TiN a été formé pendant 10 mn. Ensuite, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue et, successivement, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets, la décharge par arc a été générée par la cathode Ti-Al et un film de TiAiN a été formé pendant 10 mn. Successivement, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets et une décharge par arc a été générée avec un courant de décharge par arc de 60 ampères pour la cathode en titane et un courant de décharge par arc de 40 ampères pour la cathode TiAl.
La nitruration par plasma a été effectuée de la même manière que dans l'exemple 3, et après avoir placé les forets dans un dispositif de métalisation par voie ionique du type a arc cathodique muni d'une cible TiAl présentant une concentration d'aluminium de 70 mol % et d'une cible en titane et avoir généré une décharge de la cathode en titane et un traitement préparatoire par projection à la surface des forets de la même manière que dans l'exemple 3, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue, de l'azote gazeux a été introduit dans la chambre - de réaction, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets tout en introduisant l'azote en sorte de maintenir la pression dans la chambre à 3 x 10 2 Torr et un film de TiN a été formé pendant 10 mn. Ensuite, l'application de la tension à la cathode en titane a été interrompue et, successivement, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets, la décharge par arc a été générée par la cathode Ti-Al et un film de TiAiN a été formé pendant 10 mn. Successivement, une tension de polarisation de -500 Volts a été appliquée aux forets et une décharge par arc a été générée avec un courant de décharge par arc de 60 ampères pour la cathode en titane et un courant de décharge par arc de 40 ampères pour la cathode TiAl.
Ensuite, le courant total de décharge par arc pour les deux cathodes a été maintenu à 100 ampères, le courant de décharge étant graduellement abaissé à 40 ampères pour la cathode en titane et graduellement augmenté jusqu'à 60 ampères pour la cathode en TiAl, pour poursuivre une décharge par arc pendant 30 mn.
L'épaisseur totale du film résultant était de 3 micromètres, et l'épaisseur du film de TiN formé en tant que première couche était d'environ 0,5 micromètre. La dureté de surface était Hv 2360 et la valeur Lc était de 52 Newtons.
La concentration en aluminium dans le film était d'environ 66 % à proximité du film de TiAlN formé en tant que seconde couche, et variait d'environ 25 % à 67 % dans les films de
TiAlN formés successivement en partant du substrat en direction de la surface du film, et le film avait une structure lamellaire à gradient de concentration composite présentant une variation de concentration d'aluminium intermittente et une variation de concentration d'aluminium continue. En outre, un essai de coupe identique a celui de l'exemple 3 a montré qu'il était possible de réaliser 49 perçages.
TiAlN formés successivement en partant du substrat en direction de la surface du film, et le film avait une structure lamellaire à gradient de concentration composite présentant une variation de concentration d'aluminium intermittente et une variation de concentration d'aluminium continue. En outre, un essai de coupe identique a celui de l'exemple 3 a montré qu'il était possible de réaliser 49 perçages.
EXEMPLE 7
Les forets réalisés à l'exemple 3 ont été soumis a un traitement thermique dans de l'air à pression atmosphérique à 500C pendant 2 heures. Ensuite, le même essai de coupe que dans l'exemple 3 a été effectué, a montré qu'il était possible de réaliser 420 perçages.
Les forets réalisés à l'exemple 3 ont été soumis a un traitement thermique dans de l'air à pression atmosphérique à 500C pendant 2 heures. Ensuite, le même essai de coupe que dans l'exemple 3 a été effectué, a montré qu'il était possible de réaliser 420 perçages.
Exemple comparatif NO 2
Un traitement identique à celui de l'exemple 3 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2270 et la valeur Lc était de 23 Newtons. La concentration en aluminium dans le film était de 55,7 %. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 18 perçages.
Un traitement identique à celui de l'exemple 3 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2270 et la valeur Lc était de 23 Newtons. La concentration en aluminium dans le film était de 55,7 %. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 18 perçages.
Exemple comparatif NO 3
Un traitement identique à celui de l'exemple 4 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2210 et la valeur Lc était de 32 Newtons. La concentration en aluminium dans le film était de 53,9 %. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 27 perçages.
Un traitement identique à celui de l'exemple 4 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2210 et la valeur Lc était de 32 Newtons. La concentration en aluminium dans le film était de 53,9 %. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 27 perçages.
Exemple comparatif NO 4
Un traitement identique à celui de l'exemple 5 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2180 et la valeur Lc était de 25 Newtons. La concentration en aluminium dans le film est passé d'environ 32 % à 58 % dans le sens forets-surface du film et le film présentait une structure à gradient de concentration. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 23 perçages.
Un traitement identique à celui de l'exemple 5 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2180 et la valeur Lc était de 25 Newtons. La concentration en aluminium dans le film est passé d'environ 32 % à 58 % dans le sens forets-surface du film et le film présentait une structure à gradient de concentration. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 23 perçages.
Exemple comparatif N" 5
Un traitement identique à celui de l'exemple 6 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, l'épaisseur du film
TiN formé en tant que première couche était de 0,5 micromètre. La concentration en aluminium dans le film est passé d'environ 32 t à 58 % dans le sens forets-surface du film et le film présentait une structure à gradient de concentration. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 28 perçages.
Un traitement identique à celui de l'exemple 6 a été effectué, hormis la nitruration par plasma. L'épaisseur du film résultant était de 3,2 micromètres, l'épaisseur du film
TiN formé en tant que première couche était de 0,5 micromètre. La concentration en aluminium dans le film est passé d'environ 32 t à 58 % dans le sens forets-surface du film et le film présentait une structure à gradient de concentration. En outre, un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 28 perçages.
Exemple comparatif N" 6
Un film de titane a été formé de la même manière que dans l'exemple 4 en utilisant uniquement la cible en titane sans nitruration par plasma. Un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 300 perçages. Le foret a été soumis à un traitement thermique identique à celui de l'exemple 7, et un essai de coupe identique à celui de l'exemple 3, a montré qu'il était possible de réaliser 8 perçages.
Un film de titane a été formé de la même manière que dans l'exemple 4 en utilisant uniquement la cible en titane sans nitruration par plasma. Un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 300 perçages. Le foret a été soumis à un traitement thermique identique à celui de l'exemple 7, et un essai de coupe identique à celui de l'exemple 3, a montré qu'il était possible de réaliser 8 perçages.
Exemple comparatif N" 7
Un traitement identique à celui de l'exemple 3 a été effectué, sauf que le temps de nitruration par plasma a été porté à 48 heures. L'épaisseur du revêtement de nitrure résultant (revêtement de diffusion) était de 700 micromètres, l'épaisseur du film TiAlN de la seconde couche était de 2,9 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2430, et la la valeur Lc était de 17 Newtons. En outre, des éclats ont été observés sur les forets après la formation du film et il n'a pas été possible de les utiliser.
Un traitement identique à celui de l'exemple 3 a été effectué, sauf que le temps de nitruration par plasma a été porté à 48 heures. L'épaisseur du revêtement de nitrure résultant (revêtement de diffusion) était de 700 micromètres, l'épaisseur du film TiAlN de la seconde couche était de 2,9 micromètres, la dureté de surface était de Hv 2430, et la la valeur Lc était de 17 Newtons. En outre, des éclats ont été observés sur les forets après la formation du film et il n'a pas été possible de les utiliser.
Exemple comparatif NO 8
Un traitement similaire à celui de l'exemple 3 a été effectué excepté la nitruration par le procédé de nitruration par plasma connu utilisant un plasma à courant continu de N2 et de H2. Une tension de -400 Volts a été appliquée par une alimentation en courant continu aux forets comme substrats, tout en introduisant de l'hydrogène gazeux à une vitesse de 1000 ml/mn et de l'azote gazeux à une vitesse de 1000 ml/mn comme gaz de départ, en utilisant un appareil de nitruration par plasma présentant un corps de réacteur refroidi par eau et en maintenant la pression à 3 Torrs, et les forets ont été soumis à une nitruration pendant 60 mn en chauffant jusqu'a 5000C au moyen du plasma par décharge lumineuse à courant continu généré. Ensuite, un film de TiAlN a été formé de la même manière que dans l'exemple 3.
Un traitement similaire à celui de l'exemple 3 a été effectué excepté la nitruration par le procédé de nitruration par plasma connu utilisant un plasma à courant continu de N2 et de H2. Une tension de -400 Volts a été appliquée par une alimentation en courant continu aux forets comme substrats, tout en introduisant de l'hydrogène gazeux à une vitesse de 1000 ml/mn et de l'azote gazeux à une vitesse de 1000 ml/mn comme gaz de départ, en utilisant un appareil de nitruration par plasma présentant un corps de réacteur refroidi par eau et en maintenant la pression à 3 Torrs, et les forets ont été soumis à une nitruration pendant 60 mn en chauffant jusqu'a 5000C au moyen du plasma par décharge lumineuse à courant continu généré. Ensuite, un film de TiAlN a été formé de la même manière que dans l'exemple 3.
L'épaisseur du revêtement de nitrure ainsi formé (revetement de diffusion) était de 100 micromètres. En outre, l'épaisseur totale du film résultant était de 3 micromètres.
La dureté de surface était de Hv 2450 et la valeur Lc était de 28 Newtons. La concentration en aluminium à la surface du film était de 55,4 %. Un essai de coupe a montré qu'il était possible de réaliser 28 perçages.
Comme décrit ci-dessus, la présente invention permet d'obtenir les effets avantageux suivants (1) La déformation du film dur est inférieure et la destruction du film dur peut-être réduite en effectuant une nitruration par plasma comme prétraitement, en comparaison avec le cas où l'on forme directement un film dur sur des pièces métalliques.
(2) Puisque le traitement de nitruration par plasma conforme à la présente invention peut former un revêtement dur (revêtement de diffusion) sans augmenter la rugosité de surface des parties métalliques, le film dur formé après nitruration par plasma présente une adhérence et une durabilité importantes.
(3) Puisque le procédé PVD permet de former un film à une température relativement basse inférieure à 6500C, une couche de nitrure précédemment formée n'est pas perdue par la diffusion thermique d'azote.
(4) En ce qui concerne les pièces métalliques, puisque celles qui présentent des formes compliquées telles que les forets ou celles qui présentent une structure finement rainurée & leur surface peuvent être soumises uniformément à la nitruration par plasma, un film dur d'adhérence et de durabilité excellentes peut-être formé sur la totalité de ces pièces.
(5) Puisque les produits composites en acier revêtu d'une double couche présentant une résistance à l'oxydation et une résistance à l'usure conformes à la présente invention comportent un film composite comprenant une première couche d'un revêtement de nitrure formé à la surface des pièces métalliques et une seconde couche d'un film de TiAlN formée par dessus, des déformations élastiques ou plastiques se produisent rarement à la surface des pièces, de sorte que l'on peut éviter la destruction du film de TiAlN qui présente une faible ténacité provoquée par l'incapacité du film a suivre les déformations élastiques et plastiques. Il en résulte que la destruction du film de TiAlN peut être réduite tout en obtenant une résistance à l'oxydation et des propriétés mécaniques excellentes.
(6) En outre, compte-tenu du film lamellaire à gradient de concentration dans lequel la concentration en aluminium dans le film de TiAlN comme seconde couche change de manière intermittente dans une plage de 20 à 70 Mol % sur la base des constituants métalliques du film de TiAlN de la seconde couche, ou du film à gradient de concentration dans lequel la concentration en aluminium change de manière continue, ou du film lamellaire à gradient de concentration dans lequel la concentration en aluminium varie de manière intermittente et de manière continue en même temps, la ténacité est améliorée ainsi que les propriétés mécaniques et la durabilité en comparaison avec un film à simple couche de TiAlN.
(7) En outre, lorsqu'une couche intermédiaire d'excellente ténacité est disposée entre le revêtement de nitrure (revêtement de diffusion) de la première couche et la couche
TiAlN, la ténacité du film entier peut être encore améliorée ainsi que les propriétés mécaniques et l'endurance.
TiAlN, la ténacité du film entier peut être encore améliorée ainsi que les propriétés mécaniques et l'endurance.
Claims (12)
1. Produits composites en acier revêtus en double couche comprenant une première couche d'un revêtement de nitrure formé par application d'une décharge lumineuse avec une densité de courant de 0,001 à 2,0 mA/cm2 à la surface de pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 6500C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma, et une seconde couche constituée soit par un film dur comportant un nitrure, carbure et/ou carbo-nitrure d'un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, ladite seconde couche étant appliquée sur la première couche par un procédé
PVD, soit par un film lamellaire ou un film lamellaire a gradient de concentration, de même nature que ledit film dur.
2. Produits composites en acier revêtus en double couche présentant une résistance à l'oxydation et à l'usure, comprenant une première couche d'un revêtement formé par application d'une décharge lumineuse avec une densité de courant de 0,001 à 2,0 mA/cm2 à la surface de pièces métalliques en utilisant de l'ammoniac gazeux et de l'hydrogène gazeux tout en maintenant la température des pièces métalliques entre 300 et 6500C, en sorte de réaliser une nitruration par plasma, et une seconde couche comprenant un film de TiAlN dont la quantité d'aluminium est comprise entre 20 et 70 Mol k par rapport aux constituants métalliques, formé par un procédé PVD.
3. Produits composites en acier revêtus en double couche présentant une résistance à l'oxydation et à l'usure selon la revendication 2, dans lesquels le film de TiAlN de la seconde couche est un film lamellaire dans lequel la concentration d'aluminium varie de manière intermittente, un film à gradient de concentration dans lequel la concentration en aluminium varie de manière continue, ou un film lamellaire à gradient de concentration dans lequel les variations intermittente et continue sont toutes deux présentes.
4. Produits composites en acier revêtus en double couche présentant une résistance à l'oxydation et à l'usure selon la revendication 3, dans lesquels une couche intermédiaire comprenant au moins un composant choisi dans le groupe comprenant les nitrures, les carbures, et/ou les carbonitrures d'un métal choisi dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome est interposée entre le film de TiAlN et les pièces métalliques par un procédé PVD dans une proportion inférieure à 90 % de l'épaisseur totale du film.
5. Produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 2, dans lesquels la première couche présente une épaisseur de 5 à 500 micromètres.
6. Produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 2, dans lesquels la seconde couche présente une épaisseur de 1 à 10 micromètres.
7. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche, comprenant une étape de formation d'une couche de nitrure par application d'une décharge lumineuse avec une haute densité de courant de 0,001 à 2,0 mA/cm2 à la surface des pièces métalliques tout en maintenant les pièces métalliques à une température de 300 à 650au et en utilisant un gaz ammoniac et un gaz hydrogène, en sorte de réaliser une nitruration par plasma ; et une étape de formation, sur la couche de nitrure, d'au moins un film choisi dans le groupe comprenant un film dur, un film lamellaire et un film lamellaire à gradient de concentration, ces films ayant une même nature de film dur comprenant un composant choisi dans le groupe comprenant les nitrures, les carbures et les carbonitrures d'un métal choisi dans le groupe comprenant le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale et le chrome, et étant déposés par un procédé PVD.
8. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 7, dans lequel le rapport en volume du gaz ammoniac (NH3) par rapport au gaz hydrogène (H2) est compris entre 1/100 et 1/0.
9. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 7, dans lequel l'épaisseur du revêtement de nitrure formé est comprise entre 5 et 100 micromètres.
10. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 7, dans lequel on utilise comme procédé PVD un procédé de métallisation par voie ionique ou un procédé de projection.
11. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 7, dans lequel le gaz réactif utilisé pour former le film dur est choisi dans le groupe comprenant l'azote (N2), l'ammoniac (NH3) et des composés organiques contenant de l'azote ou des hydrocarbures, et la pression est comprise entre 10-3 et 101 Torr.
12. Procédé de fabrication de produits composites en acier revêtus en double couche selon la revendication 7, dans lequel l'épaisseur du film dur formé est comprise entre 1 et 10 micromètres.
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| JPH0835075A (ja) | 1996-02-06 |
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