Chapitre I les couches minces et l`acier
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1. TiO Fe0O3 Page SOMMAIT near entier ee M AL NU SN tee Listerdes MONO nn Esla A idee Listerdes tableaux 2521 seeta ae dels es T trod ction generale sise asa ani CHAPITRE T G n ralit s sur les couches minces et l acier l Couch sminees E ee near 1 1 G n ralit s sur les couches minces 1 1 1 Formation d une couche mince 1 2 M thodes de d position CVD PVD esses 1 2 1 D p ts chimique en phase vapeur CVD 1 2 2 D p ts physiques en phase vapeur PVD 1 2 2 1 M thodes de pulv risation 1 2 2 2 M thodes d Vaporati ni s la ere de LACIE 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 SS Ad2. incidents Figure 3 R flexion des rayons X par une famille de plans r ticulaires espac s d une distance La diffraction de faisceau des rayons x se r alis si l interaction des rayons x avec les atomes des plans hkl satisfait la loi de Bragg 28 2dnasim 0 n la longueur d onde rayonnement incident 0 Angle de Bragg n ordre de la diffraction 25 Chapitre III Diffraction des rayons X 111 7 Applications scientifiques de rayonnement X La diffraction des rayons X sur poudre est une m thode d analyse de phases non destructive Gr ce aux technologies modernes elle permet d identifier en quelques minutes les phases cristallis es pr sentes dans tout mat riau par comparaison avec un fichier de r f rences r actualis annuellement et comportant actuellement les donn es de 69 500 compos s Elle permet galement d tudier les conditions de formation de phases leur volution en fonction de la temp rature ou de l atmosph re donc de conna tre le comportement d un mat riau en conditions d utilisation temp rature etc 7 Contraintes r siduelles 7 Textures v Incidence rasante utilis e dans l tude des couches minces La diffraction X sous incidence rasante permet de d terminer la cristallographie superficielle sur 20 quelques centaines de nanom tres Contrairement au montage classique l angle d incidence entre le rayonnement X et le plan de l chantillon est constant et fa
3. 19 1 Rayonnements de grande R lie 1 450880 NU NT nr rail 19 2 Rayonnements d nergie moyenne 19 3 Rayonnements faible 0 000 6 660000006000066 6666666666666666 19 Kansas nn tr de nn n ant 20 MCSA na LUE NT essed 20 111 3 2 Production des rayons Kuga tn 6 6 6666 21 111 3 21 11006 06 0000110186 an an E 21 111 4 Absorption des rayons Xe a aa 22 111 5 Interaction rayonnement x avec la mati re 22 1 CGnsid rations 5626181648 22 2 Transfert D nergie du rayonnement la mati re 23 111 6 Diffraction des rayons X DRX 24 esac De done Nana der nee ee 24 111 6 2 Principe de diffraction des rayons x et la loi de Bragg 25 111 7 Applications scientifiques de rayonnement X 26 CHAPITRE IV Flaboration des chantillons et r sultats exp rimentaux A Mat riaux et conditions exp rimentales 28 D nettes 28 EN TA 11 Ne RSR ee E E a ae 28 IV
4. outils alli s pour travail chaud Aciers outils alli s pour travail froid Aciers rapides 8 Chapitre I les couches minces et l acier IL 2 Les propri t s physiques de l acier D apr s la teneur en carbone l acier est class comme suit Acier extra doux C lt 0 15 acier doux 0 15 lt C gt 0 207 acier mi doux 0 20 lt C gt 0 30 7 acier mi dur 0 30 lt C lt 0 40 acier dur 0 407 gt C lt 0 50 acier tr s dur 0 50 lt C lt 0 60 et acier extra dur 0 604 gt C lt 0 80 On r sume les propri t s physiques de l acier dans le tableau suivant Tableau 2 les propri t s physiques de l acier Les propri t s physiques Les relations La chaleur sp cifique moyenne des aciers Cm 0 11134 0 00455 doux Formule de Levin et Schottky Le poids sp cifique g cm D 7 876 0 03 formule de Grmlich Le coefficient thermique de dilatation lin aire C 0 1 coefficient 13 86 10 20 45 C C 0 75 coefficient 13 55 10 Maurer et S chmidt La conductibilit thermique C 0 1 K 0 125 acier recuit l ambiante 300 C C 0 3 K 0 115 acier recuit cal cm 5 c D apr s Jakob La r sistivit lin aire u Q cm cm C 0 7 Rt 11 C 1 77 Rt 17 L aimantation Gauss De l ordre 10000 Le champ coercitif Oersted ts De l ordre 4 5 IL 3 Traitement thermique de l acier IL 3 1 Introduction L acier se soumet l action des traite
5. la vitesse c vitesse de la lumi re L nergie du rayonnement est quantifi e et son transport a lieu sous forme de photons raison pour laquelle ce rayonnement est galement appel rayonnement photonique chaque photon transporte une nergie E donn e par la relation E hv 1 1 Ou h est la constante de planck Exemples de rayonnements lectromagn tiques lumi re rayons x 2 Rayonnement corpusculaires Ils sont constitu s par des corpuscules de masse m anim s d une vitesse v ayant donc une nergie cin tique E 1 2 2 Louis de Broglie en 1924 a montr qu tout corpuscule en mouvement correspondant une onde associ e de longueur d onde suivant la relation h mv 1 2 Exemples de rayonnements corpusculaires lectrons neutrons Pour les deux types de rayonnements il appara t donc une dualit Onde corpuscule qui explique les similitudes observ es dans l interaction de ces rayonnements avec la mati re Certaines interactions s interpr tent partir de l aspect corpusculaire exemple ionisation d autres s expliquent en tenant compte de l aspect ondulatoire exemple diffusion 18 Chapitre III Diffraction des rayons X 111 2 Classification des rayonnements suivant leur nergie L ensemble des rayonnements peut tre divis arbitrairement en trois gammes suivant nergie et leur mode d interaction avec la mati re L nergie variant de fa on continue d une extr mit l autre de la gamme tota
6. liminer les traces de polissage m canique on a effectu un nettoyage chimique suivant les tapes suivantes e Un rin age dans l eau courante puis dans l eau distill e e Un d graissage avec le trichlor thyl ne C2HCl dans un bain ultrason pendant 10 minutes afin d enlever les traces probables des graisses e Un d graissage ultrason dans l ac tone pendant 10 minutes e Un nettoyage au m thanol dans l ultrason pendant 10min 28 Chapitre IV R sultats exp rimentaux 3 Le nettoyage ionique Le nettoyage ionique par bombardement ionique d Ar dans l enceinte de d position juste avant la d position a t effectu dans le bute d enlever les traces des op rations pr c dentes ainsi que les couches de contamination accumuler avant le d p t IV 2 3 D position des couches minces Avec la m thode de pulv risation cathodique sous une pression r siduel 7x10 mbar on a d pos des couches minces de titane de puret 99 99 sur les substrats pr par es Le tableau 6 pr sente les conditions de nettoyage ionique et de d position Tableau 6 Conditions de nettoyage ionique et de d position Op ration Temps Intensit Tension Pression Torr Temp rature de min A V 1 atm 1 01325x10 pa substrat C D capage Nettoyage 4 1 289 29x10 25 chimique D position 30 0 5 291 2 2107 200 Le r le de la temp rature des substrats pendant l op ration
7. 2 Elaboration des chantillonS een cran anse 28 IV 2 1 Pr paration des 511501868 6666666666666666 666666666666666 6 6000000000 nn 28 1 esad aes 28 2 Nettoyage CHIMIQUE sesane 28 3 Nettoy ge IONIQUE 29 10 23 D position des couches minces rss ssrmarmNeisstisssili asset 29 IV 3 Traitements th rmiques issu nd et as 29 IV 4 Mesure de l paisseur de la couche mince 30 B R s lt ts EXP TIMONIAUX nee donna oen IR RUE ON ae 31 B 1 Analyse des spectres DRX des substrats 42MnV7 31 1 Spectre DRX des substrats 42MnV7 non rev tus 31 2 Spectre des chantillons 42MnV7 Ti non recuits 32 3 Spectre des chantillons 42MnV7 Ti recuit 400 C pendant 30 min 33 4 Spectre DRX des chantillons 42MnV7 Ti recuits 700 C pendant 30 34 RE eee RU ee te entente B 2 Analyse avec microanalyse EDS RSR NI 35 1 Microanalyse des substrats 42Mn V7 recuits 400 C pendant 30 minutes 35 2 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 700 C pendant 30 minutes 36 3 Microanalyse des substrats 42MnV7 T1 recuits 400 C pendant 30 minutes 37 C Disc ssiondes r s ltats nee eee Raa 38 Conclusion g n rale Sa nn TN 40 R f rence
8. A tm ne NN NN SN A BB AJ A 11 2 Propri t s physiques de l acier 11 3 Traitement thermique de l acier Il 3 Introduction Ses esase ete date cd Oj N 1 3 2 Traitements thermiques du durcissement ni 1 3 3 Traitements thermiques d adoucissement ni en CHAPITRE G n ralit s sur les carbures des m taux de transition 14 14 14 SL ESrbures Au 1 e eS dt 15 32 Carbures du groupe VS RS NS ons tan 15 11 3 3 Carbures du groupe Vl dant avan enter es 15 11 4 Propri t s des carbures des m taux de transition 15 4 1 6 nr Rens T a dede rune 16 Il 4 2 Propri t P fractair sessed 16 11 4 3 Contraintes is pd dde 16 CHAPITRE Diffraction des rayons X ME Ray jnem nt aa r e E Sd NOT Te 18 TIE Nature d s Tavonnements eee Sd terne RME E EEE aE 18 1 Rayonnement lectromagn tiques 18 2 RayohnementCOPUSCUIAIRES ere nee en idea 18 111 2 Classification des rayonnements suivant leur nergie
9. Aciers fins sp ciaux o Aciers alli s Dont les teneurs limites des divers l ments sont sup rieures ou gales celles du tableau 1 1 13 on distingue trois types cat gories sont Chapitre I les couches minces et l acier 7 Aciers d usage courant Aciers faiblement alli s 7 Aciers frottement alli s Tableau 1 teneurs limites de divers l ments massique 7 lim 7 lim 7 lim 7 lim Al 0 10 Cu 0 40 Pb 0 40 V 0 10 B 0 0008 Mn 1 65 Se 0 10 W 0 10 Bi 0 10 Mo 0 08 Si 0 50 Zr 0 05 Co 0 10 Ni 0 30 Te 0 10 Autres sauf N C S P 0 05 Cr 0 30 Nb 0 06 Ti 0 05 e Surla base du mode d emploi on a d sign de les types suivant SONS S S Les aciers de construction Ils sont utilis s pour la construction pour lesquels les qualit s d sir es sont la r sistance aux efforts continus et aux chocs aux efforts altern s et l usure Les aciers propri t s physiques et chimiques sp ciales Ils contiennent les aciers inoxydables les aciers propri t s magn tiques sp ciales les aciers propri t s de dilatation Les aciers outils Ils ont utilis s pour les fabrications d instruments Leurs qualit s intrins ques sont la duret et la r sistance aux efforts statiques la r sistance aux d formations par choc et la r sistance l usure On distingue quatre classes selon le mode de travail de l outil Aciers outils alli s au carbone Aciers
10. L interaction avec la mati re peut tre consid r e sous ses deux aspects compl mentaires modification du rayonnement sous l action de la mati re et modification de la mati re sous l action du rayonnement 26 a Modification du rayonnement En analysant le rayonnement apr s travers e d une certaine paisseur de mati re m thodes de mesure on constate des modifications qui peuvent porter sur son intensit son nergie et sa direction ces deux derni res grandeurs tant d finies par son vecteur d onde 22 Chapitre III Diffraction des rayons X o Diminution de l intensit ET L intensit I transmise dans la direction incidente Ko est inf rieure l intensit incidente lo globalement il y a absorption du rayonnement o Changement du vecteur d onde en module L nergie E des photons ou particules la sortie est inf rieure ou gale l nergie incidente Eo donc leur longueur d onde gt leur vecteur d onde K lt Ko Une partie des photons ou particules ont perdu de leur nergie E tant r partie suivant un spectre La perte d nergie peut m me tre totale toute l nergie initiale Eo tant dissip e en une ou plusieurs interactions successives o Changement du vecteur d onde en direction Une partie du rayonnement change de direction il y a diffusion b Modification de la mati re L nergie perdue par le rayonnement est int gralement transf r e aux atomes de mati re sous diff rentes
11. apr s des traitements thermiques m caniques STE Introduction g n rale Des rev tements durs seront d pos s sur des substrats en acier afin de prolonger la dur e de vie des pi ces travaillants sous des conditions m caniques et thermiques durs Pendant la r action entre les rev tements durs et leurs substrats lors des traitements thermiques dans chaque combinaison substrat couche mince 11 se formera des nouveaux compos s ind sirables qui affectent les r sultats attendus L identification des phases form es avec les spectres de diffraction x apr s chaque traitement des chantillons est une bonne solution pour pr ciser les conditions optimales pour certaine combinaison Le but de notre travail est de contr ler la r action entre les couches minces d pos es et les substrats d acier avec les spectres des chantillons analys s obtenus avec la diffraction de rayonnement x Dans notre travail nous avons labor des rev tements de carbures de titane sur des substrats d acier riche en carbone de type 42MnV7 nous avons d pos par la m thode de pulv risation cathodique RF une couche mince de titane pur sur l acier Apr s ce syst me rev tement substrat est soumet aux traitements thermiques sous vide dans l intervalle de temp rature de 400 1000 C Ce travail est pr sent en quatre chapitres en plus d une introduction g n rale et d une conclusion la fin du m moire Le premier chapitre pr sente d
12. de la d position est l am lioration de l adh rence entre les substrats et les couches minces et l obtention d une couche homog ne IV 3 Traitements thermiques Les traitements thermiques des chantillons dans l intervalle de temp rature de 400 1000 C pendant 30 minutes ont t effectu s pour activer la r action entre les couches minces et les substrats par la facilit de la mobilit des atomes vers et partir les couches minces d pos es Nous avons effectu les m mes traitements thermiques pour les substrats non rev tus pour pouvoir faire la comparaison Les traitements sont r alis s dans un tube en quartz sous vide de l ordre de 10 mbar pour minimiser l oxydation 29 Chapitre IV R sultats exp rimentaux IV 4 Mesure de l paisseur de la couche mince Deux m thodes de mesure de l paisseur m thode de mesure d paisseur hors enceinte telle que les m thodes optiques lectroniques gravim triques m caniques et les m thodes utilisant un rayonnement La deuxi me concerne les m thodes in situ tels que les m thodes optiques et les moniteurs quartz pi zo lectrique La m thode de palpeur m canique n cessite une marche dans le film d pos et le substrat soit en masquant une partie du substrat soit en enlevant une partie de la couche apr s d p t La marche est d plac e en translation devant un palpeur qui amplifie sa d nivellation La diff rence de d placement vertical est converti
13. hypo ou perlitique pour l acier hyper avec des carbures dispers s et cet acier comporte une aust nitisation une temp rature sup rieure Ac pour l acier hypo ou Ac pour l acier hyper et un refroidissement lent dans un four interrompu par exposition de l acier e Recuit pour usinage qui conf re l acier des propri t s pour faciliter mieux son usinage qui conduit l acier une temp rature Ac3 50 100 C pour les aciers hypereutectoides 17 ou Ac 75 100 C pour l acier hypereutectoide suivi par un refroidissement rapide et un maintien isotherme une temp rature choisie e Recuit pour formage froid a pour objet de rendre la duret de l acier plus afin de faciliter sa mise en forme qui consiste en un chauffage l g rement sup rieure Ac puis un refroidissement et un maintien prolong une temp rature inf rieure Ac qui peut tre suivi par plusieurs r chauffements une temp rature l g rement sup rieure Ac e Adoucissement banal pour abaisser la duret de l acier sans souhaiter lui conf rer une structure d termin e 1l suffit de subir ce m tal un simple chauffage une temp rature inf rieure Ac 12 Chapitre II les carbures des m taux de transition G n ralit s sur les carbures des m taux de transition IL 1 Introduction Dans les derni res d cennies le carbone et le titane de m taux de transition sont largement utilis s dans l
14. 00 900 1300 31 Dans le fer 14C 19 2 350 850 30 32 4 950 1060 30 Ti 60 00 1075 1225 32 La croissance de la phase TiC se fait par consommation de la couche de titane qui se traduit par la diminution dans le nombre et l intensit de pics correspondants par contre on note l augmentation d intensit et de nombre des pics de TiC Puisque les analyses de diffraction des rayons x ne sont pas effectu avec le syst me rasante on remarque l apparition toujours des pics de substrat du l paisseur relativement faible de la couche de titane par rapport la profondeur de p n tration du rayonnement x d analyse et aussi la diffusion du fer vers les couches superficielles notamment pour les chantillons trait s hautes temp ratures La formation des oxydes de fer Fe20 et de titane TiO est du probablement la pr sence d oxyg ne dans l enceinte de pulv risation cathodique et dans le tube en quartz dans lequel on a effectu nos recuits ou sous l effet d accumulation d oxyg ne sur les substrats durant leur stockage avant le d p t de la couche mince puis celui ci se diffuse facilement lors des traitements thermiques vers les couches superficielles des chantillons et r agit donc avec le titane et le fer diffus en donnant naissance des couches d oxydes de titane TiO et d oxyde de fer Fe203 39 Conclusion g n rale Conclusion g n ra
15. 0030 Sik 0 90 1 16 1 0988 0 6464 1 0012 SK 1 47 1 65 1 0304 0 8223 1 0034 MnK 8 33 5 45 0 9420 1 0002 1 0000 Fek 72 84 46 89 0 9591 1 0019 1 0000 Total 100 00 100 00 Figure 10 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 700 C pendant 30 minutes 3 Microanalyse des substrats 42MnV7 Ti recuits 400 C pendant 30 minutes Le spectre EDS des chantillons trait s 400 C pendant 30 minutes Figure 11 illustre les raies caract ristiques du titane du fer et du carbone Les calcules quantitatifs des concentrations montrent la diminution de la concentration atomique du carbone 6 82 at para port au celle observ e dans le cas des substrats non rev tues et trait s dans la m me temp rature du recuit 15 23 at ceci est du la r action avec le titane et la formation de carbure de titane TiC comme montr dans l analyse avec diffraction des rayons x on remarque aussi l absence des raies du Mangan se et du Silicium ceci est du la pr sence de la couche mince et au profondeur de p n tration de faisceau lectronique 37 Chapitre IV R sultats exp rimentaux EDAX ZAF Quantification Standardiess Element Normalized SEC Table Default j Element wA At 2 A CK 1 77 6 82 1 2035 0 3199 1 0011 TiK 85 69 82 79 0 9961 0 9980 1 0066 FeK 12 54 10 39 0 9908 0 9454 1 0000 Total 100 00 100 00 Figure 11 Microanalyse des substrats 42MnV7 Ti
16. N d ordre N de s rie UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Facult des Sciences et Technologie et des Sciences de la Matiere D partement Sciences de la Mati re M moire MASTER ACADEMIQUE Domaine Sciences de la Mati re Fili re Physique Sp cialit Rayonnement Spectroscopie et Opto lectronique Present par 2772 2 Th me Caract risation avec Rayonnement X des Rev tements Durs Sur des Substrats en Acier Soutenu le 21 06 2012 Devant le jury compos de Mr BOUKRAA Aomar Pr Pr sident Melle BELAKROUM Karima Mc B Examinateur Mr MOHAMMEDI Lazhar MA A Examinateur Mr GHERIANI Rachid Mc A Rapporteur 2011 2012 Remerciements Ce travail a t r alis au laboratoire de Rayonnement et Plasmas et Physique des Surfaces LRPPS Universit de Ouar la Avant tout je remercie Dieu tout puissant de m avoir donn 2 force le courage et les moyens de pouvoir accomplir ce modeste travail Je tiens tout dabord remercier Monsieur le docteur R Ghertani qui a assur la direction de ce travail Je le remercie vivement de mavoir constamment guid et Conseill ainsi que ces nombreux encouragement qu il ma prodigu s m ont permi de continuer mes travaux je veux exprimer dans cette occasion ma profonde respectueux attachement Je tiens remercier particulierement Monsieur le professeur BOUKRAA AOMAR Directeur de recherche au Laboratoire de D veloppement des Fnergies Nouvelles et R
17. ardement d lectrons c est notamment le principe de la spectrom trie de fluorescence X et de la microsonde de Casting Par acc l ration d lectrons acc l ration au sens large freinage changement de trajectoire Figure 2 production des rayons X 21 Chapitre III Diffraction des rayons X 111 4 Absorption des rayons X Un photon incident qui ionise un atome perd toute son nergie c est un ph nom ne d absorption par tout ou rien les photons X transmis ayant chapp l interaction photo lectrique auront l nergie E du rayonnement incident Le traitement math matique de l absorption s en trouve simplifi On peut d finir et mesurer facilement un coefficient d absorption des rayons X La variation diff rentielle de l intensit est proportionnelle la masse dp de mati re travers e par unit de surface dI lo udp Il en r sulte une loi exponentielle I o exp Lp Io exp U px Ou y est le coefficient d absorption massique Z p le coefficient d absorption lin aire pla masse volumique du mat riau travers 26 111 5 Interaction rayonnement X avec la mati re 1 Consid rations g n rales Consid rons un rayonnement incident d intensit Io d nergie Eo longueur d onde o la d finition de son vecteur d onde Ko permet d indiquer simultan ment la direction de propagation direction du vecteur et la longueur d onde donc l nergie module du vecteur Ko 1 l
18. at riau en phase vapeur l vaporation la pulv risation et les gaz de vapeurs chimiques Etape n 2 Transfert de l espace d poser le transport de l esp ce en phase vapeur de la source vers le substrat peut se d rouler sous collisions entre atomes et mol cules Etape n 3 Croissance de la couche sur le substrat cette tape prend en compte le d p t de la couche avec les processus de nucl ation et de croissance Ces trois tapes sont r sum es dans la figure 1 Chapitre I les couches minces et l acier Substance solide Produits chimiques 1 lectrolyte Etape n 1 al cr ation d esp ce 1 8 d 1 N SOURCE poser ha Etapen 2 transfert de l esp ce d poser Etape n 3 croissance de la couche sur le substrat 0 1 01010209 111 0 0 0 0 1 1 SUBSTRAT Figure 1 les trois tapes du processus de rev tement I 2 M thodes de d position CVD PVD Dans ce rev tements d pos s industriellement peuvent se d composer en 2 familles distincts les rev tements d pos s par voie physique Physical Vapor Deposition PVD et les rev tements d pos s par voie chimique Chemical Vapor Deposition CVD Chapitre I les couches minces et l acier L 2 1 Les d p ts chimique en phase vapeur CVD Les d p ts chimiques en phase vapeur ou CVD Chemical Vapor Deposit
19. bures de m taux de transition 14 CHAPITRE III Diffraction des rayons X 4 Ordre de grandeur de l nergie de quelques rayonnements 20 CHAPITRE IV Elaboration des chantillons et r sultats exp rimentaux 5 Composition chimique des substrats utilis s 28 6 Conditions de nettoyage ionique et de d position 29 7 Param tres de diffusion 39 Introduction g n rale Introduction g n rale Les hautes technologies de fabrication ont conf r aux m taux labor s sous forme de couches minces au niveau de leur structure une am lioration tr s importante de leurs performances Les couches minces sont appliqu es dans plusieurs domaines de la micro lectronique aux dispositifs d crans et d affichage les outils de coupes l isolation thermique aux d p ts de films pour la d coration aux cellules solaires la pr vention de l oxydation et des corrosions chimiques basses et hautes temp ratures Parmi les m thodes d laboration des couches minces la plus utilis les d p ts physiques et chimiques en phase vapeur La m thode CVD est largement utilis e pour la production d un rev tement mais la haute temp rature de la d position limite cette m thode La m thode PVD est distingu e par sa temp rature basse de d position Les carbures des m taux de transition sont des mat riaux r fractaires et de ce fait sont largement utilis s comme rev tements dans la technologie hautes temp ratures ceci
20. diffusion du fer vers les couches superficielles notamment pour les chantillons trait s hautes temp ratures Dans les temp ratures de recuits lev es les r sultats montrent la formation des oxydes de titane et de fer TiO gt et Fe203 qui affectent la qualit des couches minces obtenues L analyse avec la microanalyse X EDS montre que le carbone des substrats diffuse vers les couches de titane d une fa on plus intense que la diffusion de titane vers les substrats ces observations sont discut sur la base des consid rations physique et thermodynamique 40 R f rences bibliographiques 1 J Barralis G Maeder et J P Trotigman Pr cis M tallurgie Ed Nathan 9 Rue M chain 75014 Paris 1997 2 A Richardt et A M Durand Le vide Les couches minces Les couches 1011165 Ed In Fine Paris 1994 3 N Attaf Th se de doctorat d tat Universit de Constantine Alg rie Septembre 2003 4 Y Benzahi M moire de magister Universit de Ouargla Juin 2003 5 L Benmabrouk M moire de magister Universit de Ouargla Mai 2003 6 S Aida Th se de doctorat Universit de Constantine 1994 7 G rad B ranger Gury Henry Germain Surs Le livre De L acier Ed Technique et documentation Lavoisier Paris 1994 4 8 N Meftah Etude Structurale et M canique de Rev tements de titane d pos es Sur un Acier Outils influence de Pr traitement de Surfaces des Substrats
21. e Mn et le Si ayant les plus importantes concentrations dans la composition chimique de la nuance utilis e parmi les autres l ments d adition 0 6 0 90 en Mangan se et 0 15 0 35 en Silicium Les concentrations donn es partir le spectre apr s les calcules quantitatifs sont 1 68 at du Mn et 0 58 at du Si relativement aux autres l ments 35 Chapitre IV R sultats exp rimentaux EDAX ZAF Quantification Standardless Element Normalized SEC Table Default Element wt At z A B e LE 1 D Figure 9 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 400 C pendant 30 minutes 2 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 700 C pendant 30 minutes Cependant dans le spectre de la microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 700 C pendant 30 minutes Figure 10 montre l apparition de la raie caract ristique d oxyg ne O ka avec 13 3 at et avec des concentrations plus importantes de Mn et de Mn 5 45 at et du Si 1 16 at du 51 Ces r sultats montrent probablement la diffusion d oxyg ne adsorb dans les substrats vers les couches ext rieures et confirment l accumulation diffusion du Mn et de Si dans les couches ext rieures sous l effet des traitements thermiques 36 Chapitre IV R sultats exp rimentaux EDAX ZAF Quantification Standardiess Element Normalized SEC Table Default Element Wt At z A E cK 10 54 31 56 1 1641 0 2297 1 0004 gt 5 92 13 30 1 1414 0 4615 1
22. e en signal lectrique par un transducteur puis amplifi e la figure 4 montre la trace obtenue 23 Figure 4 la trace obtenue avec le talystep On a utilis la m thode de palpeur m canique l paisseur moyen de cinq mesures et de l ordre de 0 68um 30 Chapitre IV R sultats exp rimentaux B R sultats exp rimentaux Notre objectif dans ce chapitre apr s la pr paration des chantillons sera l tude des ph nom nes observ s apr s les traitements thermiques et d identifier la composition chimique des compos es obtenus Pour obtenir les informations pr c dentes plusieurs techniques exp rimentales de caract risation physico chimiques structurales et microm caniques sont fr quemment utilis es par exemple la diffraction des rayons x DRX le microscope lectronique balayage MEB le microanalyse x EDS la spectroscopie d lectron Auger AES et la spectroscopie de r trodiffusion de Rutherford RBS 4 L analyse avec la diffraction des rayons x DRX restera pour longtemps l une des meilleures techniques d identification des structures cristallographiques et les phases form es du la simplicit de sa mise en uvre par apport l utilisation de la diffraction des neutrons ou lectrons Les phases form es apr s la r action entre les substrats et les couches minces d pos es comme r sultat des traitements thermiques sous vide ont t d ter
23. ements de carbures et tude de leurs propri t s structurales et m caniques Revue sciences et technologie Universit de Mentouri Constantine 2000 p 44 20 A MUNSTER and Ruppoert Z Elektrochen 57 564 1953 21 G persson Met Prog 97 98 1970 22 P O S mell Jern kontorets Amn 154 564 1953 23 R GHERIANI influence de la proportion de phases dans le domaine de temp ratures 400 1000 C sur des films de Ti et de Cr d pose sur des substrats en aciers th se de doctorat Universit d Ouargla Juin 2005 24 HALIMI R CHEKOUR L HADJAR Y HARKATI C Etude des rev tements de substrats en acier par des films minces de m taux r fractaires Ta Ti Cr Revue de science et thechnologie universit de Constantine 1994 25 L Mohammedi Elaboration et caract risation de rev tements de titane sur des substrats d acier th se de magister Univ D Ouargla Juin 2003 42 26 J P Eberhart M thodes physiques d tude des min raux et des mat riaux solides Doin Editeurs 1976 27 Z GHEMOUDA Effet plasmas des ions d argon Ar sur l interaction entre des couches minces r fractaires et des substrats en acier analyse par le rayonnement x th se de magister UNIV D OUARGLA 20009 28 Jean Jacques Rousseau Cristallographie g om trique et radiocristallographie Ed Dunod Paris 2000 29 Lounis CHEKOUR El ments de diffraction des rayons x polyco
24. enouvelables dans les zones Arides et sahariennes LARENZA de l universit de Ouargla Je souhaite galement exprimer ma gratitude au Professeur Mr BOUKRAA AOMAR pour ses conseils et l aide quil m apport s et d avoir accepter la pr sidence du jury de soutenance Je remercie Melle BELAKRoum Karima Professeur l Universit de Ouargla pour avoir accepter d tre membre examinaleur du jury Je remercie auss Mr MOHAMMEDT Lazhar Professeur l Universit de Ouargla pour avoir accepter d examiner ce travail et d tre Membre du jury Fnjin je ne voudrai pas conclure ces remerciements Sans avoir une pens e affectueuse pour mes parents pour mavoir aid et encourag durant tout la dur e de mes tudes et mile merc pour ma grande famille et notre gratitude va galement tous enseignants et nos collegues de la promotion 2011 2022 Litiem Halima R sum Les couches minces des carbures des m taux de transition sont utilis es largement en raison des propri t s thermiques et m caniques exceptionnelles Dans ce travail nous avons tudi s l interaction entre des couches minces de titane d pos s sur des substrats en acier 42MnV7 contenant 0 49 masse de C par pulv risation cathodique Pour activer la r action entre les substrats et les couches minces d pos es les chantillons ont subi des recuits thermiques sous vide dans l intervalle de temp ratures 400 1000 C Les chantillons sont tudi s
25. es g n ralit s sur les couches minces et l acier Le deuxi me chapitre pr sente des g n ralit s sur les carbures des m taux de transition Le troisi me chapitre pr sente la diffraction des rayons X Enfin dans le dernier chapitre nous avons expos les diff rentes tapes d laboration des chantillons ainsi que les r sultats exp rimentaux obtenues et la discussion 05 Couches minces et l acier Chapitre I les couches minces et l acier G n ralit s sur les couches minces et l acier I COUCHES MINCES 1 1 GENERALITES SUR LES COUCHES MINCES Une grand vari t de mat riaux m tal C ramique polym re sont utilis s pour produire des couches superficielles appel es plus g n ralement couches minces les techniques d laboration de ces couches sont diverses on cite 1 2 Pulv risation cathodique projection thermique Electrochimique CVD Chemical Vapor Deposition PVD Physical Vapor Deposition Les applications des couches minces sont multiples telles que r sistance aux corrosions haute temp rature cellules solaires isolation thermique optique etc Nous allons pr senter dans la suite les tapes de formation d une couche mince et quelques techniques de d p t 1 1 1 Formation d une couche mince G n ralement 11 y a trois tapes dans la formation d un d p t en couche mince Etape n 1 Cr ation de l espace d poser il y a trois fa ons de mettre un m
26. est du exclusivement a la particularit de leurs propri t s physico chimiques haute stabilit thermique bonne r sistance la corrosion Les diff rentes tudes r alis es ce jour montrent que les films des carbures am liorent consid rablement les caract ristiques des zones superficielles des mat riaux par l augmentation de la duret la r duction des frottements des pi ces en contact et la protection contre la corrosion Le carbure de titane TiC fait partie des mat riaux utilis s principalement dans les secteurs de hautes technologies En cet effet ce compos pr sente des propri t s physiques et m caniques remarquables communes la plupart des carbures des l ments des groupes IV a VI A cause de leur bonne r sistance l abrasion et la corrosion il est largement utilis pour les pi ces m caniques soumises des contraintes extr mes de fonctionnement La formation et la croissance du carbure de titane sont suivies par l utilisation des techniques exp rimentales sensibles telles que la diffraction de rayons X DRX la microscopie lectronique balayage MEB et la spectroscopie d lectrons Auger AES Dans ce m moire on s int resse tudier l interaction entre le rayonnement x et les chantillons La diffraction des rayons x est fr quemment utilis pour caract riser les chantillons notamment apr s les r actions mati re mati re mati re milieu d exp rience et mati re rayonnement ou
27. formes nergie potentielle nergie cin tique nergie de vibration thermique une partie de cette nergie pourra tre r mise sous forme de rayonnements ou de chaleur 2 Transfert D nergie du rayonnement la mati re Par analogie avec la m canique classique et en consid rant l aspect corpusculaire rayonnements on peut distinguer sch matiquement deux types d interactions a Interaction lastique L interaction lastique a lieu entre le rayonnement incident et un atome dans son ensemble La structure interne donc l nergie interne de l atome ne sont pas modifi es en premi re approximation le transfert relatif d nergie AE Eo Eo E Eo sera nul ou tr s faible donc o et K Ko Le rayonnement ayant subi ce type d interaction pourra conserver sa coh rence on parle de diffusion coh rente ou lastique cette diffusion pourra donner lieu des ph nom nes d interf rence Dans le cas particulier de la mati re cristallis e condition que la longueur d onde soit inf rieure aux param tres du r seau on pourra observer une diffusion intense dans des directions discr tes c est la diffraction ph nom ne d importance fondamentale pour tudier la structure de la mati re cristallis e 23 Chapitre III Diffraction des rayons X b Interaction in lastique L interaction in lastique a lieu avec un ou plusieurs lectrons de l atome Elle modifie la structure interne donc l nergie interne de l ato
28. ible 0 1 3 ce qui permet de limiter la p n tration des rayons X Il est ainsi possible d analyser implantation d ions 29 26 QE Resultats exp rimentaux Chapitre IV R sultats exp rimentaux Elaboration des chantillons et r sultats exp rimentaux A Mat riaux et conditions exp rimentales IV 1 Les substrats utilis s IV 1 1 Introduction Les substrats utilis s sont des disques en acier 42MnV7 dont leur composition chimique est donn e dans le tableau 5 suivant Tableau 5 Composition chimique des substrats utilis s Nuance JC Si Mn GP PS PV 42MnV7 0 49 0 15 0 35 0 6 0 90 0 035 0 035 0 07 0 12 En utilisant comme rev tement le titane de haute puret 99 997 qui est un m tal de transition dur IV 2 Elaboration des chantillons IV 2 1 Pr paration des substrats 1 Le polissage m canique Apr s le tron onnage des petits chantillons en forme de disque de 10 mm de diam tre et 1 mm d paisseur on a effectue un polissage m canique primaire l aide d une polisseuse avec une s rie de papiers abrasifs base de carbure de Si SiC de grades 100 400 600 800 1000 successivement Puis un polissage de finition avec l alumine Al203 diff rentes tapes 3h 12h 24h 48h qui permettent l limination des fines traces du polissage primaire cette op ration permettent l obtention d une surface lisse 2 Le nettoyage chimique Afin d
29. industrie et font l objet de nombreuses investigations 18 cause de leurs propri t s physico chimique distingu es 19 plusieurs m thodes sont employ es pour pr parer les carbures elles sont bas es sur une r action directe des l ments ou une r action indirecte consistant en la diffusion de carbone en suite leur liaison avec le m tal IL 2 D finition du carbure Les carbures sont des combinaisons de carbone avec un autre l ment ou plus du syst me p riodique qui peut appartenir aux groupes IA ITA IHA et peut tre aussi un m tal de transition du groupe IVA VA VIA 8 Les carbures sont g n ralement covalents tr s durs et r fractaires 11 3 Les types de carbures des m taux de transition Les carbures des m taux de transition sont group s selon l ordre de m tal de transition dans le syst me p riodique ou cet l ment varie sa structure lorsque l atome de carbone s ins re dans le r seau 8 On consacre notre tude sur les groupes r sum s dans le tableau 3 Tableau 3 les groupes des carbures de m taux de transition Groupe IV Groupe V Groupe VI TiC VC VC Cr23C6 Cr7C3 Cr3C ZrC Nb C NbC Mo C Mo C gt MoC x HfC Ta C TaC W2C W 3C WC 14 Chapitre II les carbures des m taux de transition IL 3 1 Les carbures du groupe IV Ce groupe contient les carbures de titane zirconium et hafnium Ils utilis s comme rev tement d outils de coupe pour am liore
30. ion sont des m thodes qui permettent de former des couches minces solides non volatiles sur un substrat par des r actions chimiques avec des gaz Les gaz sont introduits dans un r acteur ils se d composent et r agissent une temp rature pour former le film voulu 1 2 2 Les d p ts physiques en phase vapeur PVD Les d p ts physiques en phase vapeur ou PVD Physical Vapor Deposition peuvent tre obtenus par des m thodes de pulv risation ou par des m thodes d vaporation 1 2 2 1 M thodes de pulv risation Dans la d position de ce type on consid re une cible constitu e du mat riau d poser que l on bombarde par un flux d ions inertes Argon H lium dans une chambre vide 3 6 Les particules de mat riau ainsi extraites sont alors ject es et d pos es sur le substrat Cette m thode permet des d p ts basses temp ratures inf rieures 150 C de films m talliques fins comme l aluminium le titane le chrome 1 2 2 2 M thodes d vaporation Ce type d position fait appel au chauffage local d une cible constitu e du mat riau vaporer une temp rature suffisante pour obtenir une vapeur La vapeur se condense sur le substrat Le chauffage du mat riau vaporer s effectue en faisant traverser un courant lectrique travers un filament constitu par le dit mat riau L inconv nient majeur de cette m thode r side dans le fait que les impuret s contenues dans le filament so
31. istiques de ductilit o Le revenu d adoucissement maximal est r alis une temp rature voisine de Ac il provoque la coalescence maximale des carbures donc 11 engendre un adoucissement les caract ristiques de r sistance sont basses et les caract ristiques de ductilit sont lev es 15 11 3 3 Traitements thermiques d adoucissement G n ralement un acier adouci c est un acier ayant une matrice ferrique dans laquelle se dispersent des carbures exemple des contraintes que possible Les traitements thermiques qui permettent de parvenir cet tat structural sont v le recuit qui permet la transformation totale ou partielle dans des conditions convenables 7 Les traitements d adoucissement ou dits banals qu ils engendrent seulement une volution de carbures pr cipit s 11 Chapitre I les couches minces et l acier e Recuit il comporte un chauffage jusqu une temp rature dite de recuit 16 et un maintien isotherme cette temp rature suivi par refroidissement lent r alis dans des conditions ou le m tal est un tat proche de l quilibre stable Apr s retour la temp rature ambiante l aust nisation peut tre totale ou partielle suivant les propri t s demand es Il diminue la r sistance d un acier mais accro t consid rablement sa ductilit 14 On distingue les types suivants e Recuit banal qui a pour objet de conf rer l acier une structure ferritoperlitique pour les acier
32. le Dans ce travail nous avons pr par des substrats en acier comme des l ments de base dans le but d am liorer l tat de la surface La pr paration contient plusieurs travaux li l un de l autre et adapt s pour la d position des couches minces Des couches minces de titane ont t d pos es par la m thode de pulv risation cathodique Pour am liorer l adh rence des couches minces les substrats ont subi un nettoyage ionique juste avant la d position Les chantillons sont ensuite recuits entre 400 et 1000 C sous vide pendant 30 minutes Pour caract riser les chantillons plusieurs techniques sont g n ralement utilis es tel que la diffraction des rayons X microanalyse X spectroscopie d lectron Auger et microscope lectronique balayage dans notre tude nous avons concentr sur la diffraction des rayons x DRX Les traitements thermiques des chantillons sous vide r sultent la r action entre les couches minces d pos es et les substrats les spectres de la diffraction des rayons X DRX montrent la formation et la croissance des carbures de titane TiC qui am liorent les propri t s superficielles des chantillons Les analyses de diffraction des rayons x ne sont pas effectu avec le syst me rasante on remarque l apparition toujours des pics de substrat du l paisseur relativement faible de la couche de titane par rapport la profondeur de p n tration du rayonnement x d analyse et aussi la
33. le Cette division n a videmment pas de signification absolue 1 Les rayonnements de grande nergie Les rayonnements de grande nergie avec une limite inf rieure de l ordre du MeV agissent au niveau du noyau atomique en provoquant leur d sint gration de la fission Le domaine de la physique nucl aire 2 Les rayonnements d nergie moyenne Les rayonnements l nergie moyenne est ceux qui agissent jusqu au niveau des couches lectroniques profondes les plus proches du noyau L interaction est donc en g n ral assez peu sensible aux liaisons chimiques entre atomes au moins dans le cas des l ments moyens et lourds dont les couches de valence sont loin du noyau La limite inf rieure de dans ce domaine est de l ordre de la dizaine d lectron volts Pour les rayonnements lectromagn tiques c est le domaine des rayons x 3 Les rayonnements de faible nergie Les rayonnements de faible nergie agissent sur les couches lectroniques externes ou sur les liaisons entre les atomes Ils apportent donc des informations sur l tat chimique de la mati re Cette classification sch matique est bas e sur la localisation de l interaction rayonnement mati re l chelle atomique noyau couches lectroniques profondes couches lectroniques de valence Le tableau 3 1situe les diff rents rayonnements dans cette classification 19 Chapitre III Diffraction des rayons X Tableau 4 Ordre de grandeur de l nergie de quelques ra
34. me Le transfert relatif d nergie AE Eo sera important Le rayonnement diffus ne sera plus coh rent et ne pourra pas donner lieu des ph nom nes d interf rence on parle de diffusion incoh rente ou in lastique c Section efficace d interaction Pour l tude de l interaction rayonnement mati re la notion de section efficace d interaction lt lt sera tr s utile Consid rons une particule de mati re de rayon d action ro pr sentant donc une section s 7 ro dans la direction du rayonnement en g n ral chaque rayon passant l int rieure de la section s ne produite pas une interaction donn e Pour un mode d interaction rayonnement mati re donn e on peut d finir une section quivalente telle que tout rayon passant par cette section subisse cette interaction est appel section efficace de l interaction 111 6 La diffraction des rayons X DRX III 6 1 Introduction Dans la technique de la diffraction des rayons X on tentera d identifier les l ments qui nous sont inconnus et nous d terminerons galement les indices de Miller et les phases les plus probables 27 24 Chapitre III Diffraction des rayons X III 6 2 Le principe de diffraction des rayons x et la loi de Bragg Quand un faisceau de rayon x de longueur d onde frappe sous un angle 0 la surface d un cristal qui contient un ensemble de plans hkl dont l inter distance dit dr figure 3 2 Rayons Rayons mergents
35. ments thermiques pour lui conf rer des propri t s particuli res Ces propri t s sont adapt es soit la mise en uvre ou l utilisation de l acier qui est r alis es respectivement par un traitement d adoucissement ou par un traitement de durcissement de l acier Chapitre I les couches minces et l acier IL 3 2 Les traitements thermiques du durcissement Les traitements thermiques du durcissement de l acier comprendront y une aust nitisation pour transformer le fer l tat aust nitique et mettre en solution solide le carbone et les l ments d alliages 11 7 une trempe pour ramener l acier l tat hors d quilibre temp rature ambiante v un revenu pour le retour vers l tat d quilibre L aust nisation comporte deux op rations Le chauffage jusqu une temp rature choisie dite d aust nitisation pendant tout le chauffage 11 existe un gradient de temp rature entre la surface et le c ur 12 et le maintien temp rature d aust nitisation qui est le temps pendant lequel la temp rature est conserv e constante et gale la temp rature d aust nitisation La temp rature d aust nitisation est Ac3 25 50 C pour les aciers hypereutectoides 13 Ac 50 C pour les aciers hypereutectoides 13 La trempe c est l op ration qui consiste refroidir l acier plus rapidement d s le d but de la temp rature d aust nitisation jusqu la temp rature ambiante Par l immersion da
36. min avec un diffractom tre de marque Philips muni d une anticathode en cuivre Aka 1 5406 filtre en Ni sous une tension de 40kV et une intensit de 30mA B 1 Analyse des spectres DRX des substrats 42Mn V7 1 Le spectre DRX des substrats 42MnV7 non rev tus Le spectre de diffraction des rayon x des substrats 42MnV7 non rev tues avant traitements thermiques montre qu ils sont constitu s principalement de fer alpha confirmant la structure feritique de l tat de r f rence des substrats Figure 5 31 Chapitre IV R sultats exp rimentaux Fea 110 Fea 211 Fea 200 Fea 220 mme Figure 5 Spectre de diffraction des rayons x pour les substrats 42MnV7 non recuits 2 Le spectre des chantillons 42MnV7 Ti non recuits L analyse des chantillons 42MnV7 Ti non recuit avec diffraction des rayons x montre que en plus des raies de fer alpha des substrats qu ils apparaissent vue la profondeur de p n tration importante des rayons x relativement au faible paisseur des couches minces d pos s l apparition des pics caract ristique de titane confirmant la puret des rev tements pr par s Figure 6 32 R sultats exp rimentaux Chapitre IV o 42MnV7 Ti B a 5 U S 55 5 E Figure 6 Spectre de diffraction des rayons x des chantillons 42MnV7 Ti non recuits 3 Le spectre des chantillons 42MnV7 Ti recuit 400 C pendant 30 min Le diffractogramme des rayo
37. ns un milieu qui extrait la chaleur liquide gaz qui permet la transformation de l aust nite en martensite et certaine proportion de bainite le r sultat est une augmentation consid rable de la duret qui ne va pas sans une fragilisation 14 On distingue deux types de trempe la trempe classique an isotherme et la trempe tag e Le but de cette trempe est de diminuer les contraintes thermiques par la diminution de gradient thermique et limiter les transformations apparues en dehors de la trempe 10 Chapitre I les couches minces et l acier Le revenu est un traitement thermique subcritique pratiqu la trempe il comprend un r chauffement la temp rature du revenu T O0 T un maintien de dur e t 7 un refroidissement selon une loi programm e ou non Le revenu peut provoquer la transformation de l aust nite r siduelle en b nite ou en martensite secondaire et permet la pr cipitation de carbures donc au durcissement secondaire On distingue trois types de revenu o Le revenu de d tente qui est r alis une temp rature entre 100 et 200 C il provoque une diminution des contraintes existant dans la maille martensitique et conserve les caract ristiques de r sistance o Le revenu banal habituel est r alis une temp rature variante entre 500 et 650 C il provoque une forte baisse des caract ristiques de r sistance de l acier mais aussi un rel vement des caract r
38. ns x des chantillons 42MnV7 Ti recuits 400 C pendant 30 minutes montre la diminution de nombre de raies caract ristiques de titane du la temp rature de recuit conduisant la r action entre les couches minces et les substrats La r action r sulte la formation des carbures de titane le spectre montre trois pics caract ristiques de TiC Puisque le titane a une grande affinit l oxyg ne 11 s oxyde facilement surtout une temp rature plus que la temp rature ambiante en plus probablement le vide insufisant pendant le recuit 400 C on remarque l apparition d une s rie de pics d oxyde de titane TiO Figure 7 33 Chapitre IV R sultats exp rimentaux 2 y 2MnV7 Ti B I R 4 2 Lun 3 8 En z z v 5 5 u U M S F es o 5 4 8 N a 5 3 5 3 9 B N 5 N r a 2 1 3 N 0 5 F u 8 bomanti kemasan kanma atana FRG IGR RRSO ET pe Figure 7 Spectre de diffraction des rayons x des chantillons 42MnV7 Ti recuits 400 C pendant 30 min 4 Le spectre DRX des chantillons 42MnV7 Ti recuits 700 C pendant 30 minutes La r action entre les couches minces d pos es et les substrats r sulte l inter diffusion des l ments des deux parties du syst me notamment la diffusion de carbone de substrat vers les couches minces d pos es vue la taille de l l ment par apport aux autres l ments La mobilit des a
39. par diffraction des rayons x et la microanalyse x EDS Apr s les traitements thermiques les r sultats montrent la diffusion de carbone de substrats vers les couches minces d pos s suivi par la formation et la croissance des carbures de titane qui donnent la surface des chantillons des bonnes propri t s physiques et surtout m caniques Les r sultats montrent aussi la formation des oxydes de titane TiO2 et de fer Fe203 dans les chantillons en particulier des temp ratures lev es en raison des conditions de traitement thermique ou la non homog n it des rev tements 77 42 0 49 1000 400 DRX EDS
40. pie 4 me D E S physique Universit de Constantine 30 The M L E Toth Transition Metal Carbides and Nitrides Academic Press New York 1971 31 E K Storms the Refractory Carbides Academic Press New York 1967 32 M Ohring the Materials Science of Thin Films Academic Press San Diego 547 1992 43
41. r leurs propri t s superficielles 8 Les carbures de TiC d pos par CVD ou PVD sont plus tudi s Leur application comme rev tement d pos par CVD est en 1950 20 mais il n a t appliqu dans le domaine de protection contre l usure qu en 1960 21 22 IL 3 2 Les carbures du groupe V Ce groupe contient des mono carbures de vanadium niobium et tantale et des compos s st chiom triques TaC VC et NEC Ce groupe admet des propri t s similaires celles du groupe IV les carbures VC NEC et TaC utilis s comme rev tement protectives contre l usure sont moins tudi s Cependant les films de NbC sont plus tudi s cause de leurs hautes temp ratures de transition 23 IL 3 3 Les carbures du groupe VI Ce groupe comprend les carbures suivants carbures de tungst ne de molybd ne et de chrome qui ont des structures simples et complexes Ces carbures sont appel s compos s r fractaires 11 4 Les propri t s des carbures des m taux de transition Les carbures de m taux de transition sont caract ris s par un point de fusion lev une haute stabilit une grande duret et une bonne conductibilit thermique et lectrique en m me temps ils sont fragiles et s oxydent facilement 15 Chapitre II les carbures des m taux de transition 11 4 1 La duret G n ralement les m taux les plus durs ont une nergie de coh sion lev e une courte longueur de liaison et une forte liaison de
42. recuits 400 C pendant 30 minutes C Discussion des r sultats On constate que la formation et la croissance de carbure de titane TiC est un r sultat de la r action entre les couches minces d pos es et les substrats d acier sous l effet des traitements thermiques Dans les spectres de diffraction des rayons x le nombre de raies de TiC augmente au fur et au mesure que la temp rature de recuit augmente ceci est d l augmentation de flux de l interdiffusion entre les deux partie des chantillons substrat couche mince notamment la diffusion de carbone de substrats vers les couches minces La diffusion du carbone vers les couches d pos es est favoris e par l effet de taille le carbone ayant le plus petit rayon atomique parmi les autres l ments titane fer oxyg ne Les param tres de diffusion donn es dans le tableau 4 3 montre que l nergie d activation de diffusion de carbone dans le titane dans l intervalle de temp rature 600 800 C gale 30 5 kcal mol est peu pr s deux fois mois importante que l nergie d activation de diffusion de titane dans le fer et dans un intervalle de temp rature plus lev e 1075 1225 C gale 60 kcal mol 38 Chapitre IV R sultats exp rimentaux Tableau 7 Param tres de diffusion E l ment nergie d activation Intervalle de Diffusant kcal mol Temp ratures C R f rences Dans le titane 14C 30 5 600 800 30 55Fe 45
43. s 01116 00168111 sae E 41 Liste des figures Figure Titre Page CHAPITRE I G n ralit s sur les couches minces et l acier 1 Les trois tapes du processus de rev tement 5 CHAPITRE III Diffraction des rayons X 2 Production des rayons X 21 R flexion des rayons X par une famille de plans r ticulaires espac s d une 25 distance d CHAPITRE IV Elaboration des chantillons et r sultats exp rimentaux 4 La trace obtenue avec le talystep 30 Spectre de diffraction des rayons X pour les substrats 42MnV7 non 32 recuits 6 Spectre de diffraction des rayons X des chantillons 42MnV7 T1 non 33 recuits 7 Spectre de diffraction des rayons X des chantillons 42MnV7 T1 recuits 34 400 C pendant 30 min 8 Spectre de diffraction des rayons X des chantillons 42MnV7 Ti recuits 35 700 C pendant 30 min 9 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 400 C pendant 30 minutes 36 10 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 700 C pendant 30 minutes 37 11 Microanalyse des substrats 42MnV7 T1 recuits 400 C pendant 30 38 minutes Liste des tableaux Figure Titre Page CHAPITRE I G n ralit s sur les couches minces et l acier 1 Teneurs limites de divers l ments massique 8 2 Les propri t s physiques de l acier 9 Chapitre II G n ralit s sur les carbures des m taux de transition 3 Les groupes des car
44. th se de magister Univ D OUARGLA 2003 9 C HARKATI L Chekour R Halimi Analysis of mechanical properties of chromium films deposited by PVD on steel substrates Units of research of material physics and applications Constantine 1998 p 04 10 Ren Castra Aciers ordinaires et sp ciaux Technique de L ing nieur M300 1956 p 04 11 Gury Murry Traitements thermiques dans la masse des aciers de construction Techniques de l ing nieur M1125 1981 p 03 12 IBid p 4 41 13 Jean Barralis G rard Maeder M tallurgie Elaboration structure propri t normalisation Ed NATHAN Paris 1997 p72 14 Ren Purnet Dominique Bourdine Danielle Pr voteaux Structure de la mati re chimie inorganique Ed Dunod Paris 1996 p 173 15 Guy Murry Traitements thermiques dans la masse des aciers de construction Techniques de l ing nieur M1126 1981 p 03 16 Nourredine Bouaouadja Mat riaux Tome 1 Mat riaux M talliques OPU 1992 p 210 17 Guy Murry Traitements thermiques dans la masse des aciers de construction Techniques de l ing nieur M1127 1981 p02 18 R Gheriani et R Halimi Contribution a l tude de carbures de chrome formes par recuit conventionnel de couches minces de chrome sur substrat en acier 100C6 Revuesciencesettechnologie Universit de Mentouri Constantine 1997 p 19 19 R Halimi Y Hadjar A Benseggane Y Benarioua et S Bouzid Elaboration de rev t
45. tomes augmente avec la temp rature de recuit par cons quence l augmentation des teneures des nouveaux compos es form es Le spectre de diffraction des rayons x des chantillon 42MnV7 rev tues et recuits 700 C pendant 30 minutes Figure 8 montre l apparition des nouveaux pic de TiC par apport aux chantillons trait s 400 C pendant 30 minutesOn note toujours l apparition des pics de fer du la profondeur de p n tration des rayons x et la diffusion de cet l ment vers les couches ext rieures sous l effet de la temp rature de recuit et le temps de maintien 30 minutes Le spectre montre aussi l apparition des pics caract ristiques d oxyde de titane et d oxyde de fer Fe203 34 Chapitre IV R sultats exp rimentaux 42MnV7 Ti B I R 700 C 9 T o 5 a N m A 3 2 2 U O 4 N Lea F om gt FF E2 A 9 o U o Mo i A N 2 w NE m g g N 34 3 mM S u 9 D u FO COE EE EE EE EE ans b n Figure 8 Spectre de diffraction des rayons x des chantillons 42MnV7 Ti recuits 700 C pendant 30 min B 2 Analyse avec microanalyse EDS 1 Microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 400 C pendant 30 minutes Le spectre de la microanalyse des substrats 42MnV7 recuits 400 C pendant 30 minutes Figure 9 montre les raies caract ristiques de fer de carbone et des deux l ments d adition l
46. urce sont aussi mises et contaminent ainsi le substrat Chapitre I les couches minces et l acier IL L acier IL 1 Introduction L acier joue un r le tr s important dans la vie quotidienne des hommes Il est utilis dans plusieurs domaines Il est l origine de toutes r volutions scientifiques et industrielles gr ce leurs propri t s 7 11 1 1 D finition de l acier Le mot acier l origine d signait les alliages de fer contenant 0 10 1 70 de carbone forgeables susceptibles de durcir par trempe Les atomes de Carbone plus volumineux de rayon 0 077nm que les interstices existant entre les atomes de fer Ils ont caus une distorsion du r seau de fer c est cette distorsion entre autres qu est attribu e la duret de l acier 8 Lorsque le carbone forme avec le fer une solution solide la duret de l acier augmente 9 Ult rieurement l acier a t g n ralis aux vari t s tr s pauvres en carbone 10 11 1 2 Classification de l acier Les aciers ont plusieurs classifications sur la base de la composition chimique le proc d d laboration et le mode d emploi e Surla base de la composition chimique on a d sign de deux classe suivant o Aciers non alli s Dont les teneurs limites des divers l ments sont inf rieures celle du tableau 1 1 on distingue trois cat gories sont Aciers au carbone d usage courant Aciers au carbone sp ciaux pour traitement thermique
47. valence Les carbures des m taux de transition ayant des liaisons de type ionique m tallique et covalent La liaison ionique et m tallique r duit la duret intrins que du cristal 24 11 4 2 La propri t r fractaire Les carbures des m taux de transition des groupes IV et VII sont caract ris s par la r fractaire c est dire ont un haut point de fusion qui est sup rieure 2000 C La propri t r fractaire des m taux d pend de configuration lectronique des atomes de ces mat riaux 19 11 4 3 Les contraintes r siduelles Tous les films labor s par la m thode PVD pr sentent des contraintes internes ces contraintes dites r siduelles de traction ou de compression elles sont reli es aux d formations lastiques irr versibles qui subsistent m me en absence de la sollicitation externe Elles sont dues l laboration du d p t lui m me elles sont parfois lev es et atteignent la limite de rupture du mat riau 25 16 Chapitre IV R sultats exp rimentaux rayons Chapitre III Diffraction des rayons X Diffraction des rayons x III Le rayonnement 111 1 Nature des rayonnements On peut distinguer deux types de rayonnements suivant leur nature rayonnements lectromagn tiques et rayonnement corpusculaires 26 1 Rayonnement lectromagn tiques Ils sont constitu s par un champ lectromagn tique sinuso dal de fr quence v ou de longueur d onde A se propageant dans le vide
48. yonnements Energie Rayons Rayons Classification eV lectromagn tiques corpusculaires 108 Grande 107 y nergie 10 10 Electrons 10 Rayons X Moyenne 10 nergie 10 U V 10 1 Lumi re visible 1 10e Faible n LR nergie 10 Neutrons 104 thermiques 107 Ondes 10 Hertziennes 107 111 3 Rayonnement X y IIL 3 1 Introduction Les rayons X sont une forme de rayonnement lectromagn tique haute fr quence constitu de photons dont la longueur d onde est comprise approximativement entre 5 pico m tres et 10 nanom tres L nergie de ces photons va de quelques eV plusieurs dizaines de MeV Les rayons X ont t d couverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm R ntgen qui a re u pour cela le premier prix Nobel de physique 11 les nomma ainsi car 1ls taient d une nature inconnue 20 Chapitre III Diffraction des rayons X III 3 2 Production des rayons X III 3 2 1 Tube de Coolidge Les rayons X sont un rayonnement lectromagn tique comme les ondes radio la lumi re visible ou les infrarouge Cependant ils peuvent tre produits de deux mani res tr s sp cifiques par des changements d orbite d lectrons provenant des couches lectroniques les rayons X sont produits par des transitions lectroniques faisant intervenir les couches internes proches du noyau l excitation donnant la transition peut tre provoqu e par des rayons X ou bien par un bomb
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