Département des matériaux

Etude expérimentale à l'aide de couches minces de l'influence de l'oxydation sur l'adhésion entre un insert et une coulée en aluminium

Frey, Norbert ; Landolt, Dieter (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1992 ; no 1107.

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    Summary
    Motor parts produced by casting are subjected to particularly high local stresses and must be reinforced by high-strength inserts. The insertion is normally made mechanically after casting, but, if good adhesion could be obtained, it would be preferable to place the inserts into the cast prior to production. The inert, insulating oxide layer which forms spontaneously on aluminium surfaces tends to prevent the insert and cast metals from interdiffusing, thereby rendering adhesion difficult. To solve the adhesion problem several different aspects of the casting process must be investigated. One important aspect concerns surface treatment, where it has been shown that deposition, onto the surface of the insert prior to casting, of a silver-zinc-silver multi-layer structure improves adhesion. The objective of the present work is to study the role that aluminium and zinc oxidation plays in adhesion between the insert and the casted part. The multi-layer structure is investigated by studying independently several single-layer systems, obtained by magnetron sputtering. The substrates are oxidized prior to deposition by anodic polarization or thermal treatment. The adhesion of the deposits is characterized by scratch tests, consisting of linear displacement with increasing normal load of an indenter along the surface of the samples. Normal and tangential forces are measured. Under certain conditions, adhesion can be associated with the applied normal force corresponding to the appearance of defects in the scratch. It can be shown that certain measured force transitions can be correlated with these defects and used to improve resolution and simplify interpretation of the measurements. The results obtained show that for zinc as well as for aluminium an increase in oxide-layer thickness results in a decrease in deposit adhesion. The relative decrease in adhesion as a function of the thickness of the oxide layer is the same for all of the systems studied. Nevertheless, thermal oxidation of the zinc is much faster than that of aluminium, and the zinc layers must be further coated with silver prior to casting.
    Résumé
    Certaines pièces pour moteurs de voitures, obtenues par coulée, sont soumises localement à des contraintes particulièrement élevées. On peut renforcer ces zones à l'aide d'inserts, fabriqués avec des matériaux de plus haute résistance. Normalement, l'insertion se fait mécaniquement, ultérieurement la coulée. Il serait préférable de placer ces inserts dans le moule, et d'obtenir lors de la coulée une bonne adhésion. L'aluminium forme spontanément à la surface une couche d'oxyde dense, inerte et isolante. Celle-ci tend à empêcher l'insert et la coulée d'interdiffuser, rendant ainsi difficile l'obtention d'une bonne adhésion. La résolution pratique de ce problème a rendu nécessaire l'étude en parallèle de plusieurs aspects. Il s'avère que le dépôt, sur la surface de l'insert, d'un système multicouches permet d'améliorer l'adhésion. A cette fin, on utilise une couche d'argent en combinaison avec une couche de zinc et une deuxième couche d'argent. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de l'oxydation de l'insert et de la couche de zinc sur l'adhésion. Le système multicouches a été modélisé à l'aide de plusieurs systèmes monocouches, obtenus par pulvérisation cathodique. Les substrats sont oxydés préalablement par anodisation ou par oxydation thermique. L'adhésion des dépôts est caractérisée à l'aide du test par rayage. Dans ce test, on déplace linéairement un indentateur à la surface de l'échantillon tout en augmentant la force normale. On mesure la force normale et la force tangentielle. Sous certaines conditions, l'adhésion peut être associée à la force normale correspondant au moment où apparaît une défaillance bien définie dans la raie. On montre que certaines transitions des forces mesurées peuvent être corrélées avec ces défaillances. Cette corrélation permet d'augmenter la résolution du test et de simplifier l'interprétation des mesures. Les résultats obtenus montrent que, tant pour le zinc que pour l'aluminium, l'augmentation de l'épaisseur du film d'oxyde engendre une diminution de l'adhésion du dépôt. La diminution relative de l'adhésion en fonction de l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'oxyde est la même pour tous les systèmes étudiés. L'oxydation thermique du zinc est toutefois beaucoup plus importante que celle de l'aluminium. Lors de la coulée, il faut donc protéger ce métal par une couche d'argent.