Combinaisons de traitements de surface

Figure 1 : Suite d’opérations pour la fabrication d’un composant avec surface.

Figure 2 : Suite opératoire d’un composant avec une surface utilisant plusieurs méthodes de revêtement. Définition du traitement Duplex, du conditionnement, des revêtements combi et des revêtements multicouches.

Figure 3 : Section en MET. 15 nm de Al2O3 déposés sur une surface rectifiée d’un plat en Al2024 illustrant au mieux les problèmes rencontrés ainsi que les résultats. La mauvaise qualité de la rectification est illustrée par la grande bavure (a) qui avait été pliée sur la surface. Ceci a créé une fente profonde mais fine (b) (~ 40 nm). La bavure a été écrouie (c) par la déformation plastique. Même un grain d’abrasif (d) avait été enterré dans la bavure. Les 15 nm du revêtement d’Al2O3 amorphe (e) déposé par PEALD (plasma enhanced atomic layer deposition) couvre complètement toute la surface y compris les parois des fentes fines produisant ainsi un scellement parfait.

Figure 4 : Deux finitions de rectification différentes sur un substrat 316L. à droite la finition habituelle obtenue en utilisant les paramètres recommandées par le fournisseur de la meule en SiC. Sur la gauche, une rectification obtenue avec une pression faible et au second passage après réaffûtage de la meule. Si la finition habituelle laisse une surface couverte de bavures écrasées (a), la « 2e rectif » montre des sections importante exemptes de bavures (b). Image MEB prise à la surface.

Figure 5 : Image MEB d’une section métallographique d’une éprouvette en 100Cr6 montrant une couche Beilby en surface. 

Figure 6 : Image TEM d’une section prise sur une éprouvette d’acier 316L polie avec la méthode de polissage métallographique traditionnelle. En-dessus de grains d’austénite (a) qui montre encore la rugosité du décolletage, le polissage a produit une couche de Beilby épaisse (b) tartinée sur la surface et créant ainsi une surface avec une rugosité très faible. Un revêtement de 50 nm d’oxyde (c) réalisée avec une bonne adhésion mais une porosité importante a été déposé dessus. 

Figure 7 : Image MEB d’une surface sablée avec du BR 3220 à une pression de 1 bar pendant 40 secondes. Toutes les rayures et cratères sont décorés de bavures.

Figure 8 : Image MEB d’une surface d’un 100Cr6 d’abord sablée avec les conditions suivantes : MS/Z 280 A, pression : 0,5 bar, buse à grand diamètre, angle d’impact 45 degrés, durée : 30 secondes, après billée avec les conditions suivantes : MS/Z 600B pression: 0,5 bar, angle d’impact 45 degrés, durée 30 secondes. La surface est lisse, mais montre encore des cavités ouvertes. L’aplatissement des bavures a créé une surface brillante, qui néanmoins ne se prêtera pas à un revêtement.

Figure 9 : Image MEB : 100Cr6 grenaillée avec des noyaux de pêche concassés aux conditions suivantes : pression 2 bar, durée 40 secondes. Les rayures visibles (a) sont dues à des grains d’alumine restés dans la sableuse. Les dépôts blancs (b) sont des résidus de carbone.

Figure 10 : Image MEB d’une surface rodée de 100Cr6 brossée avec du Scotchbrite à 2 500tr/min montrant des marques de fouettage profondes. 

Figure 11 : Image MEB d’une surface rodée de 100Cr6 et brossée avec un tissu parachute à une vitesse de 5 000 tr/min pendant deux minutes. Un ébavurage complet de la finition rodée a été obtenu.

Figure 12 : Résultats de test en brouillard salin d’éprouvettes de 100Cr6 revêtues avec 50 nm de Al2O3*Ta2O5 déposés par ALD thermique. Les éprouvettes qui ont subi un brossage après le rodage montrent clairement une meilleure résistance à la corrosion. Photos optiques haute résolution où les cercles blancs marquent les attaques de corrosion. Les chiffres à côté des photos correspondent à la classification de résistance à la corrosion.

Tableau 1 : Porosités déduites des mesures électrochimiques. Éprouvettes en 100Cr6 rodées avec ou sans prétraitement mécanique et revêtues avec du PVD ou ALD. Le brossage réduit clairement la porosité pour les deux méthodes de dépôt. 

Figure 13 : Profils de carbone mesurés par ToF-SIMS. L’éprouvette rodée et brossée montre une transition raide du niveau de carbone à l’approche du substrat. L’éprouvette rodée semble contenir une pollution de carbone importante à l’interface. 

Tableau 2 : Porosité et taux de dissolution en solution saline de revêtements de 50 nm de Al2O3 amorphe déposés sur du 100 Cr6 avec ALD thermique. Effet de prétraitements plasma.

Figure 14 : Comparaison de la résistance à la corrosion d’éprouvettes en 100Cr6, traitées thermiquement et revêtues avec 50 nm de Al2O3*Ta2O5 amorphe déposés par ALD thermique. Prises optiques de la même pièce. Effet des prétraitements.

Figure 15 : Coupe métallographique attaquée au Nital d’une éprouvette en NCD5 traitée Duplex. Nitruré avec une zone de diffusion et une couche blanche, dont la structure n’a pas été déterminée et revêtu avec 3 µm de TiN par PVD (laquage ionique). 
En 1982 H. Michel avait découvert, que la dissociation de l’hydrogène était le mécanisme d’activation dans la nitruration au plasma. En 1995 N. Renevier et al. [7] ont développé un procédé de nitruration à basse pression et haute densité de plasma avec des décharges arc. 

Figure 16 : Chemins de réaction dans la nitruration au plasma : les procédés passant par la physisorption ont une cinétique similaire à la nitruration thermique avec une accélération due à la dissociation induite par bombardement d’électron. La route de chimisorption n’utilise pas l’activation par plasma. La nitruration procédant par l’adsorption atomique requiert une dissociation préalable dans le plasma. Ceci est la base d’une cinétique rapide avec les décharges arc, qui sont un outil de dissociation puissant.

Figure 17 : Présence d’une couche de carbone à l’interface entre la couche blanche et le revêtement PVD. Selon Münz et al. [8].

Figure 19 : Coupe métallographique, image Calotest et profil de dureté d’un acier M2 traité Duplex. Le revêtement PVD à la surface et un multicouche Variantic comprenant des couches TiN, TiCN et AlxTi1-xN. Courtoisie de Eifeler Werkzeuge GmbH.

Figure 18 : Segments d’un outil d’étampage chargés sur une table de substrat d’un équipement PVD Courtoisie de Eifeler Werkzeuge GmbH.

Figure 20 : Matrice d’emboutissage pour la fabrication d’un piston de freinage avec l’aimable autorisation de Eifeler Werkzeuge GmbH.

Figure 21 : Colonnes B d’une carrosserie automobiles étampées avec l’étampe traitée Duplex montrée dans la figure 22.

Figure 22 : Étampe jumelle segmentée traitée Duplex, avec l’aimable autorisation de Eifeler Werkzeuge GmbH.

Figure 23 : Étampe segmentée pour une colonne B traitée Duplex Variantic après la fabrication de 120 000 pièces, avec l’aimable autorisation de Eifeler Werkzeuge GmbH.