Brevet FR2979921A1 — publié le 20130315

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 Dans certains modes de réalisation, la sous-couche de revêtement étant Ti,AlySi 100,_yN présente la composition suivante : 50% en atome Dans certains modes de réalisation, l'autre sous-couche de revêtement étant TipAllOo_pN présente la composition suivante : 45% 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 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 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