Leçon 11.8RevêtirChapitre 11 · Revêtements et finition de surface

Revêtement PVD (films minces sous vide)

Des atomes arrachés à une cible revêtent les pièces sous vide

Le PVD (dépôt physique en phase vapeur) revêt les pièces d'un film métallique ou céramique de quelques microns d'épaisseur, construit atome par atome sous vide. La couche dorée de nombreux forets est un revêtement PVD de nitrure de titane. Elle fait durer les outils plusieurs fois plus longtemps et donne aux montres et aux robinets une couleur dure et durable.

Photo : Cetko, CC0, via Wikimedia Commons

Revêtement PVD · pulvérisation cathodique dans une chambre à vide, avec un gros plan du filmLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; l'encadré à droite zoome sur une surface revêtue.

Comment ça marche

Nettoyer et charger. Les pièces sont nettoyées à fond, souvent dans des bains à ultrasons, puis montées sur des montages qui tournent pendant le revêtement. La moindre trace d'huile ou de poussière empêcherait le film d'adhérer.
Faire le vide et chauffer. Des pompes retirent l'air jusqu'à une pression d'environ un millionième de la normale. Des chauffages portent les pièces à généralement 200–500 °C, et un bref jet d'ions argon décape leurs surfaces.
Arracher des atomes à la cible. Le gaz argon est transformé en plasma (un gaz lumineux, électriquement chargé). Ses ions percutent la cible, une plaque du métal de revêtement, et en arrachent des atomes : c'est la pulvérisation cathodique. D'autres machines libèrent les atomes par un arc électrique ou par simple évaporation.
Voler et réagir. Les atomes libérés volent en ligne droite et se déposent sur tout ce qu'ils « voient ». L'azote introduit dans la chambre réagit avec eux : le titane se dépose alors sous forme de nitrure de titane (TiN), dur et de couleur or.
Tourner et épaissir. Les montages tournent pour que chaque face reçoive sa part. Le film atteint généralement 1 à 5 µm d'épaisseur, puis la chambre refroidit et est remise à l'air.

Chiffres clés

Matériaux: Revêtements : TiN, TiAlN, CrN, DLC (carbone de type diamant), aluminium, chrome. Pièces : acier à outils, carbure, acier inoxydable, verre, certains plastiques
Pièces typiques: Forets, fraises et plaquettes, moules, boîtiers de montres, robinets, lentilles, puces
Taille de pièce: De minuscules plaquettes à des pièces longues de plusieurs dizaines de centimètres ; limité par la chambre
Précision: Film généralement de 1 à 5 µm, jusqu'à des fractions de micron ; la taille de la pièce change à peine
État de surface: Reproduit la surface sous-jacente (poli en entrée, poli en sortie) ; couleurs de l'or (TiN) au noir (DLC)
Taille de série adaptée: De centaines à milliers de petites pièces par charge ; les prestataires de revêtement acceptent les petites séries
Coût d'outillage et de machine: Élevé : un système industriel coûte généralement des centaines de milliers à plus d'un million de dollars ; le coût par pièce est faible avec des charges pleines
Vitesse: Un cycle dure généralement quelques heures, du chargement au déchargement

Atouts et limites

Atouts

Film très dur et mince qui garde les arêtes vives
De nombreuses couleurs dures et décoratives, comme l'or, le noir ou le bronze
Chaleur modérée : la plupart des aciers à outils gardent leur dureté
Procédé propre et sec, sans déchets liquides

Limites

Ligne de visée : les trous profonds et les faces cachées reçoivent peu ou pas de revêtement
Nécessite une chambre à vide : machine coûteuse et travail par lots
La pièce doit être impeccable, sinon le film s'écaille
Trop mince pour combler les rayures ou reconstruire des pièces usées

Où on l'utilise

Outils de coupeForets TiN dorés, fraises TiAlN sombres, plaquettes en carbure
Moules et matricesFilms résistants à l'usure sur les moules d'injection et les outils de formage
Montres et bijouxFinitions noires, dorées ou or rose sur boîtiers et bracelets en acier
Maison et salle de bainsRobinets et poignées de porte aspect nickel brossé ou laiton
Optique et électroniqueCouches antireflet sur les lentilles, films métalliques sur les puces et les écrans
AutomobileSegments de piston et pièces moteur avec revêtements CrN ou DLC

Comment le reconnaître

Une couleur fine et régulière sur le métal : or sur les forets, noir violacé ou bronze sur les outils de coupe.
La couleur couvre parfaitement les faces extérieures et les arêtes de coupe, mais s'estompe dans les trous profonds et les rainures.
Ni coulures, ni gouttes, ni bords épais : le métal lui-même semble avoir changé de couleur.
Très difficile à rayer, contrairement à une peinture de la même couleur.

À comparer avec

Revêtement CVD11.9construit des films par réaction chimique à partir de gaz, à plus haute température, et atteint aussi les surfaces cachées ; le PVD travaille plus froid mais ne revêt que ce qu'il « voit ».Dépôt électrolytique11.5dépose aussi du métal sur du métal, mais depuis un bain liquide et en général plus épais ; le PVD donne des films céramiques plus durs.Dépôt par couches atomiques13.4un cousin de la fabrication des puces qui construit des films couche atomique par couche atomique.

À regarder

Korvus Technology · Les bases du PVD, présentées par un fabricant d'équipements

Plansee · Une animation d'atomes pulvérisés depuis une cible

CICEL COMPANY · Tout le déroulement en usine, du nettoyage au déchargement

Oerlikon · À quoi ressemble une machine de revêtement industrielle

Voir de vraies photos

Wikipédia : Physical vapor deposition — méthodes (pulvérisation, arc, évaporation) et usages, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le PVD construit un film dur atome par atome sous vide, généralement de 1 à 5 µm d'épaisseur.
Les atomes volent en ligne droite : les surfaces cachées reçoivent peu de revêtement.
La couleur or de nombreux forets est du nitrure de titane déposé par PVD.