Qu'est-ce qu'un scratch test ?

Le scratch test, ou test de rayure, est la méthode de référence pour évaluer l'adhérence d'un revêtement sur son substrat et sa résistance à la rayure. Rapide, reproductible et normalisé, il est utilisé aussi bien en recherche qu'en contrôle qualité, pour les revêtements durs PVD, CVD et DLC comme pour les couches minces, les peintures ou les polymères. Voici comment il fonctionne, ce qu'il mesure et comment choisir le scratch tester adapté à vos revêtements.

Pourquoi mesurer l'adhérence d'un revêtement ?

Un revêtement peut être dur, épais et parfaitement homogène, et pourtant se détacher dès la première sollicitation mécanique. Une mauvaise adhérence ruine les propriétés du dépôt : un outil de coupe perd sa protection, une pièce mécanique s'use prématurément, un verre optique se raye. Mesurer l'adhérence permet de valider un procédé de dépôt, de comparer des préparations de surface, d'optimiser l'épaisseur d'une couche ou de contrôler la régularité d'une production.

Le principe du scratch test

Une pointe diamant, généralement de type Rockwell C avec un rayon de 200 µm, est appliquée sur la surface revêtue avec une force normale. L'échantillon se déplace à vitesse constante sous la pointe, qui trace une rayure. La charge peut être constante ou, le plus souvent, croissante : elle augmente progressivement le long de la rayure, depuis une valeur très faible jusqu'à la charge maximale choisie.

Au fur et à mesure que la charge augmente, les contraintes dans le revêtement s'intensifient jusqu'à provoquer des dommages caractéristiques : fissures, écaillage, puis arrachement de la couche. Après l'essai, la rayure est observée au microscope optique pour localiser précisément chaque type de dommage et le relier à la charge appliquée à cet endroit.

Les charges critiques Lc1, Lc2 et Lc3

Le résultat d'un scratch test s'exprime par des charges critiques, c'est-à-dire les charges auxquelles apparaissent des dommages donnés. Les plus couramment utilisées sont :

• Lc1 : apparition des premières fissures dans le revêtement (rupture cohésive) ;
• Lc2 : premiers écaillages au bord ou au fond de la rayure, signe d'une perte d'adhérence (rupture adhésive) ;
• Lc3 : délamination importante, le substrat apparaît sur toute la largeur de la rayure.

Plus ces charges sont élevées, meilleure est la tenue du revêtement. Pour comparer des résultats entre eux, il faut toutefois conserver les mêmes conditions d'essai : type de pointe, vitesse de chargement, vitesse de déplacement et nature du substrat.

Comment détecter les dommages ?

L'observation au microscope reste la méthode de référence pour identifier les charges critiques. Selon les appareils, elle peut être complétée par l'enregistrement de la force de frottement, de la profondeur de pénétration ou de l'émission acoustique, dont les variations accompagnent souvent l'apparition des dommages. L'essentiel est de pouvoir corréler sans ambiguïté chaque image de la rayure avec la charge correspondante.

C'est tout l'intérêt du logiciel Smart Scratch Display du Scratch Tester Millennium : il affiche et mémorise les images des différentes charges critiques directement sur le graphique de chargement, à l'endroit exact où elles ont été prises. L'interprétation est plus rapide, et le rapport d'essai plus clair.

Les normes du scratch test

Plusieurs normes encadrent la méthode et garantissent la comparabilité des résultats :

• ISO 20502 (anciennement EN 1071-3) : détermination de l'adhérence des revêtements céramiques par essai de rayure ;
• ASTM C1624 : adhérence et mode de rupture des revêtements céramiques minces et durs ;
• ASTM G171 : dureté à la rayure des matériaux.

L'étalonnage régulier de l'appareil, en force comme en vitesse de déplacement, est indispensable pour rester conforme à ces normes. Un kit de calibration utilisable par l'opérateur simplifie cette étape.

Macro ou milli scratch test : quelle gamme de charge ?

La charge à appliquer dépend de l'épaisseur et de la dureté du revêtement :

• pour les revêtements durs de 1 à 100 µm (PVD, CVD, DLC, nitrures, carbures), un macro scratch tester travaillant jusqu'à 50, 100 ou 200 N, comme le Scratch Tester Millennium ;
• pour les couches très minces, les polymères, les vernis ou les écrans tactiles, un milli scratch tester travaillant sous très faible charge, comme le Milli Scratch Tester Premium, de 0,001 à 1 N.

Une charge maximale trop élevée détruit le revêtement dès le début de la rayure ; trop faible, elle ne permet pas d'atteindre les charges critiques. Le bon choix de gamme conditionne donc la qualité de la mesure.

Applications du test de rayure

Le scratch test est utilisé dans de nombreux secteurs :

• outils de coupe et de formage revêtus ;
• pièces mécaniques automobiles et aéronautiques ;
• implants et dispositifs médicaux ;
• verres ophtalmiques et revêtements optiques ;
• peintures, vernis et films polymères ;
• écrans tactiles et semi-conducteurs.

Scratch test, test Rockwell et calotest

Le scratch test est souvent associé à deux autres essais. Le test d'adhésion Rockwell C (norme VDI 3198) donne une évaluation rapide et qualitative de l'adhérence des revêtements PVD par simple indentation. Le calotest mesure l'épaisseur du revêtement, une donnée indispensable pour interpréter correctement les charges critiques.

Bien choisir son scratch tester

Avant d'investir, vérifiez la gamme de charge adaptée à vos revêtements, la qualité du système d'observation, la capacité du logiciel à relier images et charges, la conformité aux normes et la facilité d'étalonnage. La protection du matériel compte aussi : le système anti-collision du Scratch Tester Millennium préserve le capteur de force, la pointe diamant et l'objectif du microscope à chaque essai.

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Article rédigé par Marc Bellantonio, fondateur de TRIBOtechnic, spécialiste de la tribologie depuis plus de 35 ans.