FR2979921A1

FR2979921A1 - Element resistant a l'usure, revetu par des multicouches et son procede de fabrication

Info

Publication number: FR2979921A1
Application number: FR1258594A
Authority: FR
Inventors: Wangyang Ni; Ronald M Penich; Yixiong Liu
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-03-15
Also published as: KR20130029343A; CN102994948A; CA2789838A1; GB201216405D0; US20130065081A1; DE102012017830A1; BR102012023065A2; US8691374B2

Abstract

L'invention concerne un élément revêtu (100) résistant à l'usure ainsi qu'un procédé de fabrication de celui-ci, comprenant un substrat (104) et un agencement de revêtement (106). L'agencement de revêtement (106) présente une zone de sous-couches de revêtement alternées (110). Une sous-couche de revêtement (118A, 11 8B, 11 8C) est en Ti Al Si N, avec 40% en atome <= x <= 80% en atome ; 15% en atome <= y <= 55% en atome ; 4% en atome <= 100-x-y <= 15% en atome. L'autre sous-couche de revêtement (120A, 120B, 120C) est en Ti Al N, avec 45% en atome <= p <= 100% en atome. Le procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure (100) comprend les étapes de fourniture du substrat (102) et de dépôt de la zone de sous-couches de revêtement alternées (110).

Description

Historique de l'invention 10001] La présente invention concerne un élément revêtu résistant à l'usure, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure, l'agencement de revêtement étant appliqué par dépôt physique en phase vapeur (communément abrégé PVD pour « ph}*icu vupordcpoxitioo »). Plus spécifiquement, l'invention concerne un élément revêtu résistant à l'usure, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure, l'agencement de revêtement étant appliqué par dépôt physique en phase vapeur (PVD). L'agencement de revêtement comprend une zone présentant des sous-couches 10 alternées en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane et en nitrure d'aluminium et de titane. [0002] Les procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD) (souvent simplement appelés procédés en film mince) sont des procédés de dépôt atomique dans lesquels du matériau est vaporisé à partir d'une source solide et transporté 15 sous forme d'une vapeur à travers un environnement sous vide ou à basse pression gazeuse (ou de plasma) sur le substrat, où il condense. De manière caractéristique. les procédés par PVD sont utilisés pour déposer des films présentant des épaisseurs dans la plage de quelques nanomètres à des milliers de nanomètres ; cependant, ils peuvent également être utilisés pour former des revêtements 20 multicouches, des dépôts de compositions progressives. des dépôts très épais et des structures autoportantes. Les procédés par PVD peuvent être utilisés pour déposer des films d'éléments et d'alliages ainsi que des composés utilisant des procédés de dépôt réactifs. Dans les procédés de dépôt réactifs, des composés sont formés par la réaction du matériau déposé avec l'environnement gazeux ambiant, 25 tel que l'azote (par exemple le nitrure de titane, TiN). Pour plus d'informations, on pourra se référer à Donald M. Mattox. Handbook of Phy-sical Vapor Deposition (PVD) Processing. Society of Vacuum Coaters, Albuquerque, New Mexico (1998). pages 3-4. [0003] Jusqu'à présent. les éléments revêtus résistant à l'usure ont été 30 utilisés dans de nombreuses applications dans lesquelles la résistance à l'usure est une propriété souhaitable. De manière caractéristique, un élément revêtu résistant à l'usure comprend un substrat et un agencement de revêtement sur le substrat. L'agencement de re'êtement peut être composé d'une unique couche de revêtement ou, en variante, il peut être composé d'une pluralité de couches de revêtement. Dans de nombreux cas, l'agencement de revêtement confère la propriété de résistance à l'usure. Un élément résistant à l'usure à titre d'exemple est un outil de coupe revêtu utile pour l'enlèvement de matériau (par exemple du métal) d'une pièce en cours d'usinage. Les outils de coupe revêtus comprennent, sans s'y limiter, des inserts de coupe revêtus, des fraises à extrémité revêtue, des forêts revêtus, des tarauds revêtus et des alésoirs revêtus. Le façonnage des métaux est un autre domaine d'utilisation d'un élément revêtu résistant à l'usure. Un tel composant d'usure revêtu peut être une matrice d'emboutissage revêtue ou analogue. L'élément revêtu résistant à l'usure a d'autres applications tribologiques telles que par exemple des corps de soupape, des matrices et des poinçons. [00041 Dans une application dans laquelle l'utilisation d'un élément revêtu résistant à l'usure est souhaitable, il est avantageux que l'agencement de revêtement présente un niveau de dureté optimal. A cet égard, la dureté reflète l'aptitude de l'agencement de revêtement à procurer une résistance à l'usure à l'élément revêtu résistant à l'usure. Par conséquent, il existe un souhait général d'utilisation d'un agencement de revêtement qui présente une dureté optimale, l'agencement de revêtement n'étant pas trop cassant, mais présentant une dureté suffisante pour conférer des propriétés de résistance à l'usure. Dans une application dans laquelle l'utilisation d'un élément revêtu résistant à l'usure est souhaitable, il est avantageux que l'agencement de revêtement présente un niveau acceptable d'adhérence au substrat. A cet égard, l'aptitude de l'agencement de revêtement à adhérer au substrat résulte de manière caractéristique en une augmentation de la durée de vie utile globale de l'élément revêtu résistant à l'usure. 100051 On peut donc voir qu'il serait souhaitable de fournir un élément résistant à l'usure qui présente un agencement de revêtement qui présente une dureté optimale certaine. De plus, on peut donc voir qu'il serait souhaitable de fournir un élément résistant à l'usure qui présente un agencement de revêtement qui présente un niveau acceptable d'adhérence. On peut également voir qu'il serait souhaitable de fournir un élément résistant à l'usure qui présente une dureté optimale certaine en combinaison avec un niveau acceptable d'adhérence du revêtement sur le substrat. Le but général réside dans la fourniture d'un tel élément revêtu résistant à l'usure qui présente des propriétés de performance améliorées dans des applications telles que la coupe de métaux, le façonnage de métaux et d'autres applications tribologiques.

Résumé de l'invention [0006] Dans une forme de réalisation, l'invention réside dans un élément revêtu résistant à l'usure qui comprend un substrat qui présente une surface de substrat et un agencement de revêtement. L'agencement de revêtement comprend une zone composée de sous-couches de revêtement alternées, une sous-couche de revêtement étant Ti,A1)Siloo'N, avec 40% en atome < x < 80% en atome ; 15% en atome < y < 55% en atome ; 4% en atome < 100-x-y < 15% en atome, et l'autre sous-couche de revêtement étant TipAlioo_pN, avec 45% en atome .g100% en atome. Eventuellement, l'agencement de revêtement peut en outre inclure au moins une zone de liaison.

Dans certains modes de réalisation, la sous-couche de revêtement étant Ti,AlySi 100,_yN présente la composition suivante : 50% en atome < x < 70% en atome ; 20% en atome < y < 40% en atome ; 7% en atome < 100-x-y < 10% en atome. Dans certains modes de réalisation, la sous-couche de revêtement étant TiNALSiloo-x-vN présente la composition suivante : 55% en atome -- x < 65% en atome ; 25% en atome <y < 35% en atome ; 8% en atome < 100-x-v < 9% en atome.

Dans certains modes de réalisation, l'autre sous-couche de revêtement étant TipAllOo_pN présente la composition suivante : 45% en atome < p < 65% en atome. Dans certains modes de réalisation, l'autre sous-couche de revêtement étant TipAlloo.pN présente la composition suivante : p vaut 100% en atome. Dans certains modes de réalisation, l'agencement de revêtement comprend en outre une zone de revêtement de liaison entre la surface du substrat et la zone de sous-couches de revêtement alternées. 10 Dans certains modes de réalisation, la zone de revêtement de liaison comprend l'une des variantes de zone de revêtement de liaison suivantes : (A) une unique couche de liaison en TipAlioo_pN avec 45% en atome <p < 100% en atome, ou (B) une pluralité d'ensembles de revêtement de liaison, chaque ensemble de revêtement de liaison comprenant des sous-couches de revêtement de 15 liaison alternées en nitrure de titane et en TipAlloo_pN avec 45% en atome < p < 100% en atome. Dans certains modes de réalisation, la zone de revêtement de liaison comprend l'une des variantes de zone de revêtement de liaison suivantes : (A) une unique couche de liaison en TipAlioo_pN avec 45% en atome < p < 65% en 20 atome, ou (B) une pluralité d'ensembles de revêtement de liaison, chaque ensemble de revêtement de liaison comprenant des sous-couches de revêtement de liaison alternées en nitrure de titane et en TipAlioo_pN avec 45% en atome < p < 65% en atome. Dans certains modes de réalisation, l'agencement de revêtement 25 comprend en outre une unique couche de revêtement supérieure en TiAlSioo yN avec 40% en atome <x < 80% en atome 15% en atome <y < 55% en atome ; 4% en atome < 100-x-v < 15% en atome.

Dans certains modes de réalisation, la zone de revêtement de liaison est située sur la surface du substrat, la zone de sous-couches de revêtement alternées se trouve sur la zone de revêtement de liaison et la couche de revêtement supérieure en Ti,A1,Si se trouve sur la zone de sous-couches de revêtement alternées. Dans certains modes de réalisation, où, pour la zone de sous-couches de revêtement alternées, ladite une sous-couche de revêtement en nitrure de silicium. d'aluminium et de titane présente une épaisseur entre environ deux nanomètres et environ cinquante nanomètres et l'autre sous-couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane présente une épaisseur entre environ deux nanomètres et environ cinquante nanomètres. Dans certains modes de réalisation, pour la zone de sous-couches de revêtement alternées, ladite une sous-couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane présente une structure cristalline cubique à faces centrées ou en variante, un mélange de phase cubique à faces centrées et de phase hexagonale compacte. Dans certains modes de réalisation, l'élément résistant à l'usure est un insert de coupe, l'insert de coupe présentant une face d'attaque et une face de flanc, la face d'attaque et la face de flanc présentant une intersection formant le bord de coupe. Dans certains modes de réalisation, l'élément présente une dureté. telle que mesurée par un nanopénétrateur en utilisant la procédure conformément à la norme ISO 14577-1. d'environ 30 GPa à environ 35 GPa et un module de Young. tel que mesuré par un nanopénétrateur en utilisant la procédure conformément à la norme ISO 14577-1. d'emiron 420 GPa à environ 550 GPa. Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de la zone alternée s'étend de 1 micromètre à 6 micromètres.

Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de la zone de revêtement de liaison s'étend de 0,2 micromètre à 4 micromètres. 100071 Dans une autre forme de réalisation, l'invention réside dans un procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure, comprenant les étapes de : fourniture d'un substrat présentant une surface de substrat ; et dépôt d'une zone composée de sous-couches de revêtement alternées, une sous-couche de revêtement étant Ti,A1,Si1oo'N, avec 40% en atome < x < 80% en atome ; 15% en atome < y < 55% en atome ; 4% en atome < 100-x-y < 15% en atome, et l'autre sous-couche de revêtement étant TipAl 1001,N, avec 45% en atome -.1:).100% en atome. Eventuellement, le procédé peut en outre inclure l'étape de dépôt d'au moins une zone de liaison. Dans certains modes de mise en oeuvre, le procédé comprend en outre, avant l'étape de dépôt de la zone de sous-couches de revêtement alternées, une étape de dépôt d'une zone de revêtement de liaison sur la surface du substrat. Dans certains modes de mise en oeuvre, le procédé comprend en outre, après l'étape de dépôt de la zone de sous-couches de revêtement alternées, une étape de dépôt d'une zone de revêtement supérieure en TiA1SiN sur la zone de sous-couches de revêtement alternées.

Brève description des dessins [0008] On trouvera ci-dessous une brève description des dessins qui font partie de cette demande de brevet : 100091 La figure 1 est une vue isométrique d'un style CNNIG432-MP d'un insert de coupe revêtu ; [00101 La figure 2 est une vue d'un diagramme d'une forme de réalisation spécifique d'un agencement de revêtement sur un substrat, dans lequel l'agencement de revêtement comprend une zone de revêtement de liaison et une pluralité d'ensembles de revêtement composés de sous-couches alternées en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane et en nitrure d'aluminium et de titane, qui est une zone de sous-couches de revêtement alternées ; [00111 La figure] est une vue d'un diagramme d'une forme de réalisation spécifique d'un agencement de revêtement sur un substrat, dans lequel l'agencement de revêtement comprend une couche de liaison en nitrure d'aluminium et de titane, une pluralité d'ensembles de revêtement composés de sous-couches alternées en nitrure de silicium. d'aluminium et de titane et en nitrure d'aluminium et de titane, qui est une zone de sous-couches de revêtement alternées et une zone de revêtement supérieure d'une unique couche en nitrure de silicium. d'aluminium et de titane ; [0012] La figure 4 est une photomicrographie, prise par microscopie électronique en transmission (TEM), qui présente une échelle de 200 nanomètres (nm) d'une partie d'un agencement de revêtement en TiAlSiN n° 2 ; 100131 Cu figure 5 est un cliché de diffraction électronique ("selected area diffraction pattern" - SADP) de l'agencement de revêtement en TiAlSiN n° 2, le paramètre de réseau calculé pour la structure cubique à faces centrées (c.f.c.) étant de 0.422 ± 0,001 nanomètres ; 100141 La figure 6 est une photomicrographie par microscopie électronique à balayage (MEB), qui présente une échelle de 5 pim, d'une section transversale de l'agencement de revêtement en TiAlSiN n° 4 ; 100151 La figure 7 est une photomicrographie, prise par microscopie électronique en transmission (TEM), qui présente une échelle de 20 nanomètres (nm) d'une partie de l'agencement de revêtement en TiAlSiN n° 6 : 10016] La figure 8 est un cliché de diffraction électronique (SADP) de l'agencement de revêtement en TiAISiN n° 6 ; 10017] La figure 9 est un histogramme montrant les résultats de tests de coupe de métal d'un insert de coupe commercial de l'état antérieur de la technique et d'une forme de réalisation d'un insert de coupe selon l'invention ; et 10018] La figure 10 est une photomicrographie d'une échelle de 5 d'une section transversale du revêtement en Ti56AI44N commercial de l'état antérieur de la technique, la couche de revêtement commercial en Ti56A144N présentant une dureté de 28,7 GPa.

Description détaillée [0019] En se référant aux dessins, la figure 1 est une vue isométrique d'une forme de réalisation particulière d'un insert de coupe revêtu, généralement désigné par 50. L'insert de coupe 50 revêtu présente une surface d'attaque 52, une surface de flanc 54 et un bord de coupe 56 à l'intersection de la surface d'attaque 52 et de la surface de flanc 54. L'insert de coupe revêtu 50 présente une ouverture centrale 58, qui facilite la fixation de l'insert de coupe 50 à un dispositif de fixation d'outil. L'insert de coupe 50 revêtu présente une géométrie CNMG432-MP conformément à la norme ANSI. 10020] L'insert de coupe 50 revêtu comprend un agencement de revêtement 60 et un substrat 62. La figure 1 montre une partie de l'agencement de revêtement 60, qui a été enlevée pour montrer le substrat 62. Le substrat 62 peut être composé d'un matériau quelconque parmi de nombreux matériaux. Des matériaux à titre d'exemple pour le substrat 62 comprennent, sans s'y limiter, les carbures cémentés (par exemple, le carbure de tungstène cémenté au cobalt), les cermets, les aciers à coupe rapide, les céramiques, le nitrure de bore cubique polycristallin (PcBN) et le diamant polycristallin (PCD). Les couches de revêtement ont été déposées par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Bien que les exemples spécifiques de l'agencement de revêtement selon l'invention utilisent une technique de PVD par dépôt à l'arc cathodique, d'autres techniques de PVD sont appropriées pour appliquer l'agencement de revêtement selon l'invention. [0021] La figure 2 est une vue en diagramme d'un autre insert de coupe revêtu généralement désigné par 100. L'insert de coupe 100 revêtu est composé d'un substrat 102, doté d'une surface 104, et d'un agencement de revêtement montré par l'accolade 106. L'agencement de revêtement 106 est situé sur la surface 104 du substrat 102. L'agencement de revêtement 106 est composé d'une zone de revêtement de liaison montrée par l'accolade 108 et d'une zone de sous-couches de revêtement alternées montrée par l'accolade 110. Comme explicité ci- 1 0 dessous, la zone de sous-couches de revêtement alternées est composée d'une pluralité d'ensembles de revêtement composée de sous-couches de revêtement alternées. La zone de revêtement de liaison 108 se situe entre la surface du substrat et la zone de sous-couches de revêtement alternées 110. La zone de sous-couches de revêtement alternées 110 se situe sur la zone de revêtement de liaison 15 108. Dans la forme de réalisation spécifique, la zone de revêtement de liaison 108 peut être l'une quelconque des deux alternatives décrites ci-dessous. 10022] Dans la première alternative, la zone de revêtement de liaison est une unique couche de TipAl oo.pN avec 45_p100. Comme autre possibilité de la composition, il peut s'agir de TiAlioopN avec 45.p_65. En se référant à 20 l'épaisseur de l'unique couche de TiAlloopN, l'épaisseur de l'unique couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0.05 micromètre et environ 4 micromètres. En variante, l'épaisseur de l'unique couche de TipAlloopN peut s'étendre entre environ 0,2 micromètre et environ 4 micromètres. 25 [0023] Dans la deuxième alternat ve. la zone de revêtement de liaison est composée d'une pluralité d'ensembles de revêtement de liaison, chaque ensemble de revêtement de liaison comprenant des sous-couches de revêtement de liaison alternées de TiN et de TipAlloo_pN (c'es(-à-dire TiN; TipAlioo_pN) avec 45g100. Comme autre possibilité de la composition du nitrure d'aluminium et de titane, il 30 peut s'agir de TiAlloo.pN avec 455_p65. 100241 En se référant aux paramètres d'épaisseur s'appliquant à la deuxième alternative de la zone de revêtement de liaison, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,05 micromètre. En variante, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,025 micromètre. L'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,05 micromètre. En variante, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,025 micromètre.

L'épaisseur de chaque ensemble de revêtement (TiN/TipA1100-pN) peut s'étendre entre environ 0,004 micromètre et environ 0,1 micromètre. En variante, l'épaisseur de l'ensemble de revêtement (TiN/TipAlioo_pN) peut s'étendre entre environ 0,004 micromètre et environ 0,05 micromètre. L'épaisseur totale de la zone de liaison TiN/TipAlloo_pN peut s'étendre entre plus de zéro micromètre et environ 4 micromètres. 10025] La zone de sous-couches de revêtement alternées (TiAISiN/TiAIN) 110 comprend une pluralité d'ensembles de revêtement (114A, 114B, 114C), chaque ensemble de revêtement comprenant une sous-couche (118A, 118B, 118C) en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane (Ti,A1).Siloo-'-yN, 40 < x < 80 15 < y < 55 < 100-x-y < 15) et une sous-couche (120A, 120B, 120C) en nitrure d'aluminium et de titane (TipAlloo_pN, 45p_100), la composition de revêtement étant spécifiée en % en atome. Il existe un certain nombre de possibilités lorsqu'il s'agit de la composition de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane et il existe un certain nombre de possibilités pour la composition de la couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane. L'épaisseur totale du revêtement de cette zone de revêtement TiAISiN/TiAIN alternée 110 s'étend de 1 micromètre à 6 micromètres. 100261 En se référant à la composition de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane (Ti'AlvSii00N), une possibilité est (Ti,ALSiloo-,N) avec 50% en atome <x < 70% en atome ; 20% en atome < y < 40% en atome ; 7% en atome < 100-x-y < 10% en atome. Une deuxième possibilité est (Ti,A4Sii00-x-yN) avec 55% en atome < x < 65% en atome ; 25% en atome < y < 35% en atome ; 8% en atome < 100-x-y < 9% en atome. En se référant à la composition de la couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane (TipAl ioo_pN, 45<p<100), une possibilité est TipAlloo_pN, avec 45% en atome < p < 65% en atome. Une autre possibilité est TipAlioo..pN, p = 100% en atome. [0027] En se référant aux paramètres d'épaisseur pour les couches de revêtement 118A-C et 120A-C, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 10 micromètre et environ 0,05 micromètre. En variante, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,025 micromètre. L'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,05 micromètre. En variante, l'épaisseur de la 15 couche de revêtement en nitrure d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,002 micromètre et environ 0,025 micromètre. En se référant à l'épaisseur des ensembles de revêtement (114A-114C), l'épaisseur de l'ensemble de revêtement peut s'étendre entre environ 0,004 micromètre et environ 0,05 micromètre. En variante, l'épaisseur de l'ensemble de revêtement peut s'étendre 20 entre environ 0,004 micromètre et environ 0,025 micromètre. [0028] Pour le revêtement en titane-aluminium-silicium-azote, la structure du cristal de revêtement est cubique à faces centrées (c.f.c.) ou un mélange de c.f.c. et de phase hexagonale compacte (phase h.c.). La constitution des phases est déterminée par diffraction électronique (selected area diffraction - SADP) en 25 utilisant un microscope électronique en transmission (TEM). [00291 La figure 3 est une vue en diagramme d'un autre insert de coupe revêtu généralement désigné par 130. L'insert de coupe 130 revêtu est composé d'un substrat 132, doté d'une surface 134, et d'un agencement de revêtement général montré par l'accolade 136. L'agencement de revêtement 136 est situé sur 30 la surface 134 du substrat 132. L'agencement de revêtement 136 comprend un agencement de revêtement montré par les accolades 137 qui est essentiellement identique au schéma de revêtement général 106 de la forme de réalisation de la figure 2. La description des zones de revêtement correspondantes dans la figure 2 s'applique à la description de zones de revêtement appropriées dans la figure 3.

L'agencement de revêtement 137 comprend une zone de revêtement de liaison montrée par l'accolade 138 et une zone de sous-couches de revêtement alternées montrée par l'accolade 140. L'agencement de revêtement général 136 comprend en outre une zone de revêtement supérieure montrée par l'accolade 142. La zone de revêtement de liaison se situe entre la surface du substrat et la zone de sous- couches de revêtement alternées. La zone de sous-couches de revêtement alternées se situe sur la zone de revêtement de liaison. [0030] En se référant à la zone de revêtement supérieure 142, la couche de revêtement comprend du nitrure de silicium, d'aluminium et de titane (Ti,AlySiloo_ x_yN, 40 < x < 80 ;l5 < y < 55 ; 4 < 100-x-y < 15). En se référant à la composition de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane (Ti,AlySitoo-x-yN), une possibilité est (TixAlySiioo-x-N) 50< x < 70 ; 20 < y <40 ; 7 < 100-x-y < 10. Une deuxième possibilité est (Ti,AlySiloo-x_yN) 55 < x < 65 ; 25 <y <35 ; 8 < 100-x-y < 9. Pour le revêtement en titane-aluminium-silicium-azote, la structure du cristal de revêtement est cubique à faces centrées (c.f.c.) ou un mélange de c.f.c. et de phase hexagonale compacte (phase h.c). La constitution des phases est déterminée par diffraction électronique (selected area diffraction - SADP) en utilisant un microscope électronique en transmission (TEM). L'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane peut s'étendre entre plus d'environ zéro micromètre et environ 3 micromètres. En variante, l'épaisseur de la couche de revêtement en nitrure de silicium. d'aluminium et de titane peut s'étendre entre environ 0,2 micromètre et environ 2 micromètres. [0031] Dans ce travail. on utilise le procédé de dépôt à l'arc cathodique pour déposer les revêtements. Dans la chambre de revêtement, la pression est 3 abaissée par pompage à environ lx10- Pa. Les pièces, c'est-à-dire les substrats à reN êtir, sont ensuite chauffées à une température d'environ 550°C en utilisant un chauffage par radiation. Dans ces exemples, le substrat est composé de carbure de tungstène contenant environ 6% cobalt et environ 0,4% de chrome. Les surfaces de chaque substrat sont nettoyées par décapage à l'argon en utilisant une tension en CC d'environ -50 volts à environ -200 volts dans une pression d'argon d'environ 0,2 Pa. 100321 Des cibles métallurgiques en poudre de titane-aluminium-silicium et de titane-aluminium sont utilisées dans une atmosphère réactive d'azote (ou d'azote dans un gaz inerte) pour déposer les couches de revêtement de titane- aluminium-silicium-azote et de revêtements titane-aluminium-azote. La composition chimique des couches de revêtement est contrôlée en utilisant des cibles de titane-aluminium-silicium et de titane-aluminium de différentes compositions. La pression de travail pour déposer chaque couche de revêtement se situe dans la plage entre environ 0,5 Pa et environ 6 Pa. (0033] Il existe six compositions de revêtement différentes du revêtement de titane-aluminium-silicium-azote. Le substrat pour chaque revêtement est : carbure de tungstène cémenté contenant environ 6% cobalt et environ 0,4% de chrome. Le tableau I ci-dessous indique la teneur en composants de titane, d'aluminium et de silicium dans chacun des six revêtements. Le revêtement général présente une composition selon la formule suivante (en % en atome) : x et y représentant le pourcentage en atome de la somme des teneurs en titane. en aluminium et en silicium. La composition des couches de revêtement est mesurée par une technique de spectrométrie à dispersion d'énergie nergy dispersi'e spectroscopy " - EDS) en utilisant la MEB.25 Tableau I - Composition du revêtement n° 1 au revêtement n° 6 n° de Ti 0/0 en |atome) Al <Yvco atome) Si ( en Si+Al (Y0 en atome) revêtement atome) 73,0 19,8 7,2 27,0 67,2 24,3 8,6 32,9 3 63 28,6 8,5 36,6 4 57,9 33,5 8,6 42,1 57 3 38,6 9,2 47,8 _, 6 47,3 43,8 8,9 52,7 10034] Le tableau II ci-dessous indique les propriétés pour chacun des revêtements n° 1 à n° 6. Le terme "c.f.c.- signifie cubique à faces centrées et le 5 terme "h.c. - signifie hexagonal compact. Tableau II - Propriétés des couches de revêtement n° 1 à n° 6 n° de la couche de revêtement Dureté (GPa) Module de Young (GPa) Structure cristalline 32,8 471 c.f.c. 2 34,9 456 c.f.c. 3 36,6 474 c.f.c. 4 34,2 427 c.f.c. 5 31,0 386 c.f.c. 6 27,0 328 mélange c.f.c. et h.c 10035] La dureté et le module de Young sont indiqués en gigapascals (GPa) et sont mesurés en utilisant un nanopénétrateur et la procédure selon la norme ISO 14577-1. La structure cristalline est indiquée et a été déterminée par microscopie électronique en transmission (TEM). 10036] La composition et les propriétés du revêtement n° 2 sont indiquées dans le tableau I et le tableau II ci-dessus. La figure 4 est une photomicrographie prise par microscopie électronique en transmission (TEM) d'une partie du revêtement n° 2. La figure 5 est un cliché de diffraction électronique (selected area diffraction pattern- SADP) du revêtement n° 2, qui révèle que ce revêtement est constitué par une unique phase de structure cristalline cubique à faces centrées (c.f.c). [0037] La composition et les propriétés du revêtement n° 4 sont indiquées dans le tableau I et le tableau II ci-dessus. La figure 6 est une photomicrographie par MEB d'une section transversale du revêtement n° 4. Une comparaison du revêtement n° 4 (Ti57.9A133,5Si8,6N) (Cf. figure 6) et du revêtement Ti56A144N de l'état antérieur de la technique, qui est décrit ci-dessus et représenté dans la figure 10, montre que l'addition de silicium aide à réduire la taille des grains du revêtement. Le revêtement Ti56A144N de l'état antérieur de la technique a une dureté de 28,7 GPa. Une réduction de la taille des grains conduit à une augmentation de la dureté du revêtement selon la relation de Hall-Petch. [0038] La composition et les propriétés du revêtement n° 6 sont indiquées dans le tableau I et le tableau II ci-dessus. La figure 7 est une photomicrographie prise par microscopie électronique en transmission (TEM) d'une partie du revêtement n° 6. La figure 8 est un cliché de diffraction électronique (SADP) du revêtement n° 6. La figure 8 montre que la phase hexagonale est présente lorsque les teneurs en aluminium et en silicium sont élevées. [0039] Les revêtements n° 1-6 présentent une excellente dureté, cependant, ces revêtements peuvent éventuellement s'effriter sur des bords de coupe acérés lorsqu'ils sont déposés sous forme de couche unique. L'adhérence du revêtement peut être améliorée par (1) addition de couches de liaison exemptes de Si, telles que TiN, TiA1N et/ou une couche mixte de TiN/TiALN ; et (2) alternance de revêtement en TiAISiN et en TiA1N. En se référant au tableau III, les revêtements n° 8-13 montrent des revêtements qui présentent au moins une zone de liaison et une zone de revêtement alternée en TiAISIN/TiA1N. Le revêtement n° 7 est un revêtement en AITiN commercial de l'état antérieur de la technique, utilisé pour des applications de tournage et de broyage. Les revêtements n° 8 à 13 montrent une dureté plus élevée que celle du revêtement n° 7 du commerce (état antérieur de la technique). Dans le tableau III, la dureté et le module de Young sont indiqués en gigapascals (GPa), et sont mesurés en utilisant un nanopénétrateur et la procédure selon la norme ISO 14577-1.30 Tableau III. - Structure et propriétés des couches de revêtement n° 7-13. n° de Description du revêtement 1ère zone de revêtement de liaison (épaisseur en lm) 2ème zone de revêtement de liaison (épaisseur en Zone de revêtement alternéeTiAISIN/TiAIN (épaisseur en iirn) Dureté Module de Young (GPa) revêtement Pm) (GPa) 7 AI61Ti39N Non Non Non applicable 28,3 428 (Revêtement couche unique (3gm) applicable applicable commercial) (commercial) 8 AlTiSiN TiN TiN / Ti56A144N / 32,2 524 (IN#213) multicouche 1 (0,2pm). Ti56A144N alterné (0,8pm). Ti63A128,6S18,5N alterné [revêtement n°3 dans le tableau 1] (2pm). 9 AlTiSiN TiN TiN / Ti56A149N / 33,1 486 (IN#243) multicouche 2 (0,2pm). Ti51A149N alterné (0,8pm). Ti63A128,6Si8,5N alterné [revêtement n°3 dans le tableau 1] (2pm). 10 AlTiSiN TiN TiN / Ti51A149N / 32 492 (IN#244) multicouche 3 (0,2pm). Ti51A149N alterné (0,8pm). Ti57,9A133,5Si8,6N alterné [revêtement n°4 dans le tableau 1] (2pm). 11 AlTiSiN TiN TiN / Ti51A149N / 30,1 447 (IN#245) multicouche 4 (0,2pm). Ti51A149N alterné (0,8pm). Ti52,3A138,6Si9,2N alterné [revêtement n°5 dans le tableau 1] (2pm). 12 AlTiSiN TiN TiN/ Ti51A149N / 32,4 484 (IN#246) multicouche 5 (0,2pm). Ti51A149N alterné (0,8pm). Ti67,2A124,3Si8,6N alterné [revêtement n°2 dans le tableau 1] (2pm). 13 AlTiSiN Ti51A149N Aucune Ti51A149N / 33,4 500 (IN#251) multicouche 6 (1.5p0). Ti63A128,6S18,5N alterné [revêtement n°3 dans le tableau 1] Pour les revêtements n° 7 à 13, il n'y a pas de zone de revêtement en TiAISiN supérieure. [0040] Les premiers tests comparatifs dans le tournage continu d'acier inoxydable 304 sont réalisés en comparant la couche de revêtement A161Ti39N commerciale à la couche de revêtement n° 8. Les conditions de coupe sont indiquées ci-dessous : vitesse = 250 mètres/minute ; alimentation = 0,25 millimètres/révolution ; profondeur de coupe = 2,03 mm doc ; type d'insert CNMG432-MP ; angle de chanfrein - 5 degrés ; agent de refroidissement = noyage. Le critère de fin de vie réside dans 0,3 mm d'usure sur la surface du flanc de l'insert de coupe. La figure 9 est un histogramme montrant les résultats de tests de coupe de métal d'un insert de coupe commercial de l'état antérieur de la technique et une forme de réalisation d'un insert de coupe selon l'invention. Comme on peut le voir dans l'histogramme (figure 9), on constate une augmentation de 37% de la durée de vie de l'outil grâce à l'utilisation de la couche de revêtement n° 8 par rapport à l'insert de coupe du commerce utilisant un revêtement en A161Ti39N. [0041] Les deuxièmes tests comparatifs dans le tournage continu d'acier inoxydable 304 sont réalisés en comparant la couche de revêtement A161Ti39N commerciale à la couche de revêtement n° 8. Les conditions de coupe sont indiqués ci-dessous : vitesse = 198 mètres/minute ; alimentation = 0,2 millimètre/révolution ; profondeur de coupe = 2,03 mm doc ; type d'insert CNMG432-MP ; angle de chanfrein = - 5 degrés ; agent de refroidissement = noyage. Le critère de fin de vie réside dans 0,3 mm d'usure sur la surface du flanc de l'insert de coupe. Le revêtement commercial n° 7 présente une défaillance après 18,4 minutes. Le revêtement n°11 présente une défaillance après 26,2 minutes de coupe. alors que les revêtements n° 9, 10 et 12 n'atteignent pas le critère de défaillance après 30 minutes de coupe. [0042] Les troisièmes tests comparatifs dans le tournage continu d'acier inoxydable 304 sont réalisés en comparant la couche de revêtement A161Ti39N commerciale à la couche de revêtement n° 13. Les conditions de coupe sont indiqués ci-dessous : vitesse = 250 mètres/minute ; alimentation = 0,25 millimètre/révolution ; profondeur de coupe = 2,03 mm doc ; type d'insert CNMG432-MP ; angle de chanfrein = - 5 degrés ; agent de refroidissement = noyage. Le critère de fin de vie réside dans 0,3 mm d'usure sur la surface du flanc de l'insert de coupe. Le revêtement AI61Ti39N commercial présente une défaillance après 8 minutes de coupe, alors que le revêtement n° 13 dure 13,1 minutes. [00431 La description ci-dessus montre que les couches de revêtement selon l'invention fournissent un élément résistant à l'usure qui présente une dureté optimale certaine. De plus, on peut donc voir que les couches de revêtement selon l'invention fournissent un élément résistant à l'usure doté d'un revêtement qui présente un niveau acceptable d'adhérence. On peut également voir que les couches de revêtement selon l'invention fournissent un élément résistant à l'usure doté d'une dureté optimale certaine en combinaison avec un niveau acceptable d'adhérence du revêtement sur le substrat. On peut voir que les couches de revêtement selon l'invention fournissent un élément résistant à l'usure qui atteint le but général de fournir un élément revêtu résistant à l'usure qui présente des propriétés de performance améliorées. 100441 Dans le présent document, l'élément résistant à l'usure spécifique est un insert de coupe revêtu. Cependant, on admettra qu'on s'attend à ce que les propriétés améliorées existent dans d'autres types d'éléments résistant à l'usure (par exemple des poinçons, une matrice, un moule). [00451 D'autres formes de réalisation de l'invention seront manifestes pour l'homme du métier en prenant en considération la demande ou la réalisation pratique de l'invention divulguée ici. La description et les exemples ne sont destinés qu'à une illustration et ne sont pas destinés à limiter la portée de l'invention. Les revendications suivantes indiquent la portée réelle de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Elément revêtu résistant à l'usure, composé : d'un REVENDICATIONS1. Elément revêtu résistant à l'usure, composé : d'un substrat (102) doté d'une surface de substrat ; et d'un agencement de revêtement (106) composé d'une zone de sous- couches de revêtement alternées (110), une sous-couche de revêtement (118A. 118B, 118C) étant Ti'AlySitou-,_)N, avec 40% en atome < x < 80% en atome ; 15% en atome < y < 55% en atome ; 4% en atome < 100-x-y < 15% en atome, et l'autre sous-couche de revêtement (120A, 120B, 120(-) étant TipAlloo_pN, avec 45% en atome _1:)_100% en atome.
2. Elément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 1, la sous-couche de revêtement (118A, 118B, 1 18C) étant Ti,A1)Siioo_x_yN présentant la composition suivante : 50% en atome < x < 70% en atome ; 20% en atome < y < 40% en atome ; 7% en atome < 100-x-y < 10% en atome.
3. Elément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 1, la 15 sous-couche de revêtement (118A, 1)8B, 118C) étant Ti,AlySi loo-x-yN présentant la composition suivante : 55% en atome < x < 65% en atome ; 25% en atome <y < 35% en atome ; 8% en atome < 100-x-y < 9% en atome.
4. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, l'autre sous-couche de revêtement (120A, 120B, 120C) étant TiAlloo_pN présentant la composition suivante : 45% en atome < p < 65% en atome.
5. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, l'autre sous-couche de re\ ètement étant (120A, 120B, 120C) TipAl loo_pN présentant la composition suivante : p vaut 100% en atome. 25
6. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l'agencement de revêtement (106) comprenant en outre unezone de revêtement de liaison (108) entre la surface (104) du substrat (102) et la zone de sous-couches de revêtement alternées (110).
7. Elément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 6, la zone de revêtement de liaison (108) comprenant l'une des variantes de zone de revêtement de liaison suivantes : (A) une unique couche de liaison en TipAlloo..pN avec 45% en atome < p < 100% en atome, ou (B) une pluralité d'ensembles de revêtement de liaison, chaque ensemble de revêtement de liaison comprenant des sous-couches de revêtement de liaison alternées en nitrure de titane et en TipAlioo_pN avec 45% en atome < p < 100% en atome.
8. Elément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 6, la zone de revêtement de liaison (108) comprenant l'une des variantes de zone de revêtement de liaison suivantes : (A) une unique couche de liaison en TipAlioo_pN avec 45% en atome < p < 65% en atome, ou (B) une pluralité d'ensembles de revêtement de liaison, chaque ensemble de revêtement de liaison comprenant des sous-couches de revêtement de liaison alternées en nitrure de titane et en TipAl loo_pN avec 45% en atome < p < 65% en 20 atome.
9. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, l'agencement de revêtement ( 136) comprenant en outre une unique couche de revêtement supérieure (142) en Ti,A1,Siioo-x-,N avec 40% en atome < x < 80% en atome ; 15% en atome <y < 55% en atome ; 4% en atome < 25 100-x-v < 15% en atome.
10. Elément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 9, la zone de revêtement de liaison (138) étant située sur la surface (134) du substrat()32). la zone de sous-couches de revêtement alternées (140) se trouvant sur la zone de revêtement de liaison ()38) et la couche de revêtement supérieure (142) en Ti,A1,Sii00,_,I\I se trouvant sur la zone de sous-couches de revêtement alternées (140).
11. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, où, pour la zone de sous-couches de revêtement alternées (110) ladite une sous-couche de revêtement (118A, 118B, )18(,) en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane présente une épaisseur entre environ deux nanomètres et environ cinquante nanomètres et l'autre sous-couche de revêtement (120A, 120B, 120(`) en nitrure d'aluminium et de titane présente une épaisseur entre environ deux nanomètres et environ cinquante nanomètres.
12. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, où, pour la zone de sous-couches de revêtement alternées (110), ladite une sous-couche de revêtement (118A, 118B, 118C) en nitrure de silicium, d'aluminium et de titane présente une structure cristalline cubique à faces centrées ou en variante. un mélange de phase cubique à faces centrées et de phase hexagonale compacte.
13. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, l'élément résistant à l'usure étant un insert de coupe (50), l'insert de coupe présentant une face d'attaque (52) et une face de flanc (54). la face d'attaque (52) et la face de flanc (54) présentant une intersection formant le bord de coupe (56).
14. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, présentant une dureté, telle que mesurée par un nanopénétrateur en utilisant la procédure conformément à la norme ISO 14577-1. d'environ 30 GPa à environ 35 GPa et un module de Young, tel que mesuré par un nanopénétrateur en utilisant la procédure conformément à la norme ISO 14577-1, d'environ 420 GPa à environ 550 GPa.
15. Elément revêtu résistant à l'sure selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, l'épaisseur de la zone alternée s'étendant de 1 micromètre à 6 micromètres.
16. Elément revêtu résistant à l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, l'épaisseur de la zone de revêtement de liaison s'étendant de 0,2 micromètre à 4 micromètres.
17. Procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure, comprenant les étapes de : fourniture d'un substrat (102) doté d'une surface de substrat (104) ; 10 et dépôt d'une zone de sous-couches de revêtement alternées (110), une sous-couche de revêtement (118A, 118B, 118C) étant Ti,A1Si1oo-x-N, avec 40% en atome < x < 80% en atome ; 15% en atome <y < 55% en atome ; 4% en atome < 100-x-y < 15% en atome, et l'autre sous-couche de revêtement (120A. 15 120B, 120C) étant TipAlloo_pN, avec 45% en atome .13100% en atome.
18. Procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 17, comprenant en outre, avant l'étape de dépôt de la zone de sous-couches de revêtement alternées (110), une étape de dépôt d'une zone de revêtement de liaison (108) sur la surface (104) du substrat (102). 20
19. Procédé de fabrication d'un élément revêtu résistant à l'usure selon la revendication 17 ou 18, comprenant en outre, après l'étape de dépôt de la zone de sous-couches de revêtement alternées (137), une étape de dépôt d'une zone de revêtement supérieure (142) en TiAISiN sur la zone de sous-couches de revêtement alternées (137).