L’objectif fixé au début de ce travail consistait à évaluer les propriétés mécaniques et l’adhérence des couches minces en carbure de tungstène WC déposées sur un substrat en acier par pulvérisation cathodique à magnétron; une technique qui s’est révélée ces dernières années pour être très compétitive par rapport à d’autres méthodes fréquemment utilisées.
L’étude a été motivée par les caractéristiques exceptionnelles qu’offre le carbure de tungstène (WC), qui semblent très avantageuses pour l’amélioration des performances des composants mécaniques. Les essais de caractérisation présentés nous ont permis de positionner le film en WC par rapport aux nitrures des métaux de transition les plus répandues (CrN et TiN).
L’étude a été portée sur deux axes dont le premier est la caractérisation de la dureté et du module d’élasticité du revêtement étudié par nanoindentation; la technique la plus adaptée pour les couches minces. Toutefois, basée sur les équations établies par Oliver et Pharr, l’indentation instrumentée nécessite une grande connaissance de la théorie de contact pour bien analyser les résultats obtenus.
Nous avons montré en utilisant deux nano indenteurs différents que l’évaluation des propriétés mécaniques des couches minces est très sensible aux paramètres intrinsèques de l’essai tout en évaluant les propriétés mécaniques et analysant le comportement du dépôt WC. Ce dernier présente une dureté et un module d’élasticité inférieure à celui de base, mais acceptable par rapport aux autres dépôts PVD couramment utilisés.
Nous avons complété cet étude par une caractérisation morphologique par microscopie à force atomique (AFM) et tribologique par l’évaluation du coefficient de frottement de la couche WC, afin d’avoir des informations complémentaires sur le potentiel offert par ce type de revêtement. Nous avons constaté que le dépôt présente un état de surface favorable pour les applications tribologiques sévères.
Cependant, ces travaux ne sont pas suffisants pour bien étudier le comportement du matériau au cours de l’indentation et mesurer avec une grande précision les propriétés mécaniques du revêtement. Pour ce faire, il faudrait réaliser une simulation numérique prenant en compte les phénomènes qui peuvent prendre lieu au contact entre l’indenteur et le dépôt. Une autre perspective serait de compléter l’étude en mesurant, par AFM, la géométrie réelle de l’empreinte résiduelle dans la matière. Cela permettrait de comparer les aires de contact expérimentales et réelles, et de développer le modèle d’Oliver et Pharr.
Quant au deuxième axe porté dans ce travail, il concerne la caractérisation de l’adhérence des couches minces, en particulier la couche en carbure de tungstène étudiée, par une méthode communément utilisée; le scratch test. Nous avons analysé le comportement et évalué le niveau d’endommagement, de ce type de revêtements durs à l’aide de deux micro-scratch testeurs différents.
Il s’est révélé que la couche en carbure de tungstène déposée sur un acier présente une résistance au rayage acceptable et se détache corrélativement à de moyennes charges. Les résultats dépendent d’un grands nombre de facteurs tels que la dureté du substrat, l’épaisseur du dépôt et le rayon de la pointe de l’indenteur.
Nous avons montré également que l’adhérence est une caractéristique qualitative des dépôts physiques et que sa quantification varie d’un essai à l’autre. Il sera donc préférable de parler d’une résistance au rayage qu’adhérence en terme quantitatif.
L’essai de rayage s’est avéré simple à mettre en oeuvre et rapide pour la caractérisation l’adhérence des revêtements PVD en termes de charge critique d’endommagement, mais, présente une grande difficulté de point de vue mécanique. En réalité, l’essai dépend de plusieurs facteurs difficiles à étudier expérimentalement tels que l’usure de la pointe de l’indenteur, et le frottement entre la pointe et la couche. Il présente aussi une grande difficulté à identifier les contraintes responsables à l’endommagement. Une simulation numérique de l’essai mettra en évidence le comportement du matériau en contact avec la pointe sous différents paramètres opératoires et facilitera à comprendre les mécanismes d’endommagement mis en jeu.
Les perspectives ouvertes par ces travaux sont nombreuses et nécessite une attention particulière. L’étude devrait être complétée par une étude des contraintes internes de la couche WC, qui peuvent jouer un rôle important à son endommagement au cours du scratch test. Il sera aussi privilégié d’évaluer la résistance à l’usure du revêtement en carbure de tungstène en vue de compléter la caractérisation tribologique et avoir une idée complète sur le niveau de performance offert par ce type de revêtement.
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