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Ce texte est une partie de l'article tribologie
Les matériaux d'apport utilisables pour diminuer le frottement et l'usure sont extrêmement divers :
| Sommaire |
On dépose par exemple contre l'usure des couches d'alliage nickel-phosphore, dans l'industrie automobile. Les alliages légers ou ultralégers peuvent recevoir du nickel ou du plomb.
La solution des problèmes de frottement passe souvent par des dépôts électrolytiques mous ou au contraire très durs, qui tiennent bien s'ils forment une chaîne continue de solutions solides entre le métal de base et le dépôt final, avec des limites d'élasticité et des coefficients de dilatation régulièrement étagés.
Les dépôts vieillissent par diffusion des couches intermédiaires à travers la couche extrême, labourage, fluage du support, arrachement par pression exagérée, fluage et refoulement de la couche superficielle surtout si elle est trop épaisse, fatigue en cas de contraintes de tension, fragilisation par l'hydrogène. Ne pas envoyer au traitement des pièces présentant des tensions résiduelles, enlever les couches de Beilby, polir car la rugosité s'accentue avec le dépôt, revêtir l'antagoniste d'un métal insoluble dans chacun de ceux du dépôt, choisir une épaisseur optimale.
Parmi les métaux qui peuvent être déposés, citons l'argent, le chrome, l'or, l'étain, le cadmium, le zinc, le plomb, l'indium, ... Certains revêtements peuvent frotter sans lubrification jusqu'à 200-300 °C : 5 à 10 micromètres d'argent ou de nickel-cadmium contre l'acier pour des assemblages à faible jeu, or contre chrome ... Le dépôt argent-indium est très efficace contre la corrosion de contact à chaud (500 °C), l'or peut frotter sur l'acier inoxydable dans le fluor ou d'autres ambiances particulières.
On peut revêtir les alliages légers et ultralégers par une dispersion de carbures, notamment de silicium, dans une couche de nickel (Nikasil, Elnisil, Galnikal).
On recouvre l'acier et parfois les alliages légers par trempage dans un bain de métaux fondus : plomb, zinc, aluminium, ...
Il existe diverses techniques de projection ou de rechargement par flamme, plasma, arc électrique, laser, ... de produits durs, métaux ou céramiques utilisés contre l'usure, notamment abrasive. Cette dernière dépend directement de la taille des phases dures dispersées dans les matrices métalliques, mais aussi de la forme et de la texture des matériaux abrasifs. Les conditions d'usure étant peu reproductibles en laboratoire, les innovations sont rares et ceux qui ont obtenu des résultats acceptables semblent parfois craintifs lorsqu'il sagit de les mettre en œuvre.
Le laser permet le dépôt de poudres projetées dans un flux de gaz. L'action thermique très rapide et localisée limite l'échauffement et la déformation des pièces où les composés sont mélangés par la fusion superficielle. La formation d'alliages nitrurés, cémentés, avec des carbures, permet des compositions impossibles par d'autres techniques. Les surfaces plus dures, de structure plus fine, portent des couches homogènes très adhérentes. Les dépôts peuvent cependant présenter des défauts et il faut optimiser les conditions opératoires. On peut traiter des zones de quelques mm2 seulement, ou dont l'accès est difficile.
Les alliages durs à base de fer, nickel, cobalt, avec ou sans produits céramiques, sont en général déposés par arc électrique ou projection de poudre éventuellement, la couche obtenue étant parfois refondue sur place. Le chrome apporte la résistance à l'érosion, le cobalt la tenue à la chaleur, le nickel la résistance à la corrosion et la ténacité, le carbure de tungstène et le molybdène la résistance à l'abrasion. Mentionnons les alliages nickel-chrome-bore-silicium, nickel-aluminium à 5 % ou nickel-chrome-aluminium.
Les pseudoalliages cobalt-carbure de tungstène ou de titane, nickel-chrome-carbure de chrome, ... sont déposés par arc électrique ou plasma ; le chalumeau est utilisé pour les petites pièces et conseillé pour les revêtements riches en chrome. Le cobalt des stellites est un matériau stratégique dont l'approvisionnement peut devenir aléatoire. En outre il devient radioactif en milieu nucléaire où ses débris d'usure posent des problèmes. À dureté égale, les substituts sont moins résilients.
Les céramiques ou leurs combinaisons ont pour point faible leur manque de résilience et d'allongement qui impose un support extrêmement rigide, et pour point fort leur grande dureté permettant le poli spéculaire. À côté de l'alumine on trouve l'oxyde de chrome Cr2O3 utilisé en dépôt à 98 % pour la pignonnerie. Les alliages nickel-aluminium remplacent le molybdène comme sous-couche d'accrochage.
Dans un premier temps les ions du matériau sélectionné bombardent et nettoyent la surface à traiter puis, accélérés à plus haute tension, quelques centaines de keV, ils s'introduisent sur environ 1/2 micromètre dans l'épaisseur de la pièce dont ils modifient la composition chimique et les propriétés physiques. Il n'y a pas d'échauffement notable de la surface traitée, qui ne se déforme pas et ne change pas de rugosité. Comme il n'y a pas d'interface, il n'y a pas non plus de problème d'adhérence sur le substrat mais la température limite d'utilisation des couches implantées ne dépasse pas 250-300 °C.
On traite couramment l'acier, le titane, les métaux réfractaires ou les revêtements comme le chrome dur, sur lesquels on implante de l'azote, du chrome, du molybdène, du titane, du bore, du carbone ... ; plus spécialement contre le frottement, on emploie du nitrure de titane très dur, du fer, de l'aluminium, des alliages fer-cadmium ou aluminium-cadmium ...
L'implantation ionique est facile à industrialiser et particulièrement intéressante pour des pièces de haute précision finies d'usinage. Il n'y a pas de pollution chimique et on note une plus grande diversité de matériaux déposables et de substrats possibles qu'avec le dépôt chimique en phase gazeuse (CVD).
L'azote est de loin l'élément le plus utilisé. Le coefficient de frottement est alors inchangé mais le régime d'usure douce qui s'installe diminue la vitesse de dégradation d'un facteur 10 à 30, par exemple pour l'acier 35 CD 4, et il y a moins de risques lors du rodage. On améliore la résistance à la piqûre des aciers inoxydables par l'implantation de molybdène et de chrome, et la résistance à l'oxydation avec l'aluminium ou l'yttrium.
Parmi les applications, citons les prothèses chirurgicales, les roulements pour la construction aéronautique, les mécanismes tournants, paliers, rotules, ... dans des conditions sévères, les matrices, moules et autres outillages de précision pour les plastiques, ...
On peut implanter des ions sur des métaux, mais aussi sur des céramiques ou sur des plastiques
Les initiales signifient Chemical Vapor Deposition. Le procédé, connu depuis 1930, a été développé industriellement à partir de 1950. Des réactifs gazeux mélangés, parfois dilués dans un gaz porteur inerte comme l'argon, arrivent au contact de la pièce chauffée entre 600 et 1200°C). Le produit des réactions, par des effets d'adsorption et de catalyse, germe et croît sur la surface pour former selon les conditions une couche pulvérulente non adhérente, une couche polycristalline à grain fin, une couche de cristaux colonnaires, voire une couche monocristalline épitaxique. Les réactions sont de type pyrolyse ou plus souvent de type réduction.
Parmi les avantages, citons celui de pouvoir déposer un choix quasi illimité de matériaux en couches très pures, compactes, étanches et très adhérentes, y compris des matières réfractaires à des températures modérées et certaines substances impossibles à déposer autrement. Le dépôt est précis, facilement contrôlable, le dopage et l'épitaxie sont possibles, on peut travailler à la pression atmosphérique. Par contre, la cinétique des réactions est souvent complexe, les températures élevées peuvent modifier les structures, les gaz utilisés sont souvent toxiques, explosifs ou corrosifs, les temps de traitement peuvent être très longs. Il existe quelques limitations à connaître, par exemple, les lois de la thermodynamique autorisent de déposer de l'aluminium sur du chrome mais non l'inverse. En outre, le coût est élevé.
On dépose contre l'usure des couches de protection en tantale, niobium, en céramiques ... La durée de vie des outils peut être multipliée par un facteur de 2 à 100 grâce à des revêtements de carbures et nitrures de titane, d'alumine, de borures, de carbure de tungstène, nitrure d'hafnium ...
La structure des alliages quasicristallins a révolutionné la cristallographie classique. Au-delà de cette curiosité scientifique, ces alliages stables présentent des propriétés singulières. Les techniques de projection thermique et de PVD (dépôt physique en phase vapeur) permettent d'en réaliser des revêtements de surface où leurs propriétés s'expriment pleinement. Ils peuvent être déposés sur la plupart des substrats (aluminium, cuivre, acier, acier inoxydable, céramiques, oxydes, silicium.) avec un excellent niveau d'adhérence et de compacité. Applications : protection de surface contre l'usure par frottement, rayures, agressions mécaniques, antiadhérence y compris dans le domaine alimentaire, barrières thermiques jusqu'à 900°C, couches d'accrochage superplastiques, tribologie (bas coefficient de frottement).
Le procédé utilise l'évaporation sous vide du matériau à déposer (Physical Vacuum Deposition) dont les vapeurs sont souvent accélérées par un champ électrique. Ce procédé convient essentiellement aux petites pièces, où il provoque peu de distorsions des surfaces. Il est possible de réaliser des dépôts sur des métaux non ferreux ou des alliages légers.
Le carbure de tungstène déposé par P.V.D. sur une très fine couche d'adhérence de nickel donne des surfaces lisses et brillantes reproduisant celles du matériau de base, rayures et éraflures comprises. Eventuellement, on peut obtenir des couches mates et rugueuses polissables avec des outils diamantés. Les couches brillantes sont préférables en frottement et constituent une alternative aux traitements de cémentation, nitruration ou boruration.
Le slurrycoating consiste à projeter des poudres en suspension dans un liant qui est ensuite éliminé au cours du chauffage nécessaire à la diffusion des matériaux. On peut déposer, localement si besoin est, des quantités aussi faibles que 0,01 g/cm2.
On améliore le procédé classique de pulvérisation cathodique en superposant un champ magnétique au champ électrique qui règne entre la pièce de métal à déposer et la cible. La vitesse de dépôt est sensiblement accrue, on obtient une couche très compacte, exempte de fissures, qui affecte bien moins la résistance à la fatigue du substrat que les dépôts galvaniques tout en évitant la fragilisation par l'hydrogène. On peut ainsi déposer des couches très dures de chrome ou de molybdène.
Des couches d'alliages ternaires fer-molybdène-soufre proches de la composition Fe-Mo2-S4 ont été essayées avec un certain succès en vue de permettre le frottement sec d'un acier XC 38 face à des surfaces antagonistes d'acier 16 NC 6 cémenté trempé.
Les pièces sont d'abord soigneusement nettoyées et dégraissées, puis introduites dans l'enceinte de pulvérisation. Après que l'on a fait le vide (10-6 torr), on introduit un courant d'argon et on soumet la pièce à un décapage ionique sous une tension de 3500 V. Une sous-couche d'adhérence d'alliage fer-molybdène de 2 μm est alors déposée, puis la pièce reçoit un dépôt de 5 μm d'épaisseur de l'alliage ternaire.
Le coefficient de frottement varie avec le matériau antagoniste et se révèle particulièrement bas en présence d'une couche de nickel.
Le laser permet d'obtenir une fusion et une diffusion très rapide et très superficielle des dépôts, sur quelques micromètres seulement, et l'obtention de structures fines par refroidissement brutal. La diffusion de nickel dans les alliages légers améliore très nettement la résistance à l'usure.
Le procédé « D. Gun » d'Union Carbide a été inventé il y a une quarantaine d'années. Un mélange acétylène-oxygène détonant dans un canon projette des poudres très fines sur les surfaces, à des vitesses atteignant 750 m/s et à des températures de l'ordre de 4000°C. Il en résulte des revêtements exceptionnellement homogènes et adhérents, sans toutefois que la température du substrat soit extrêmement élevée. Contrairement à d'autres procédés qui provoquent l'apparition de contraintes résiduelles de traction dans les dépôts, ici l'on note l'apparition par « autogrenaillage » de contraintes résiduelles de compression favorables à la résistance à l'usure et aux pressions de contact élevées. On projette ainsi divers mélanges de carbures de chrome, de tungstène, de titane, ou des alliages cobalt-molybdène-chrome intéressants pour lutter contre l'usure.
