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Ce texte est une partie de l'article tribologie
| Sommaire |
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3.1 Traitements mécaniques |
Ils s'appliquent aux métaux susceptibles d'être améliorés par écrouissage. Le but est d'augmenter la dureté et de créer des contraintes résiduelles de compression :
Peu utilisé en frottement, le grenaillage de précontrainte élève la résistance à la fatigue de pièces de toutes sortes : ressorts, arbres ...
Le moletage et le galetage améliorent le poli, l'exactitude des cotes, la dureté et la résistance (galetages dits de surface, dimensionnel, de renforcement). On peut atteindre 45 HRC et l'on traite ainsi les aciers, surtout dans l'industrie automobile, les superalliages, les alliages de titane, ... Les surfaces galetées résistent davantage à la fatigue et portent mieux que les surfaces rectifiées, se comportant comme si elles étaient déjà rodées. Elles s'usent parfois moins que les surfaces trempées. Il ne faut jamais galeter les aciers étirés à froid car ils sont déjà écrouis.
On sait depuis les travaux de Beilby (1921) que le polissage mécanique provoque une fusion ou au moins un ramollissement des points hauts de la surface des pièces et que la matière de ces derniers vient combler les vallées.
L'électropolissage, ou polissage électrolytique, est le processus inverse de la galvanoplastie : il dissout les couches superficielles. Etudié en tant que technique en 1910 par Bentel et Shpital'Sku, il fut appliqué industriellement vers 1930 grâce aux travaux de Jacquet. Les pointes sont enlevées les premières, mais la rugosité initiale n'est pas réduite à zéro car une fois les plus gros reliefs détruits, l'attaque est uniforme. L'enlèvement des couches externes révèle la structure du métal et les défauts éventuels, contrairement aux actions mécaniques qui créent un écrouissage plus ou moins fort.
L'élimination des rayures élève la résistance à la fatigue mais, en même temps, l'absence de contraintes résiduelles de compression la diminue. Les surfaces sont remarquablement propres et ne présentent pas les inclusions provoquées par le polissage mécanique.
Rappelés pour mémoire, ils concernent surtout les aciers.
On ne doit jamais faire frotter une pièce d'acier qui n'a pas subi les traitements thermique normalisé de trempe et
revenu, éliminant au maximum les structures austénitiques et
ferritiques.
En France, l'industrie automobile traite à elle seule 200 000 tonnes d'acier par an. En frottement, on utilise souvent la
trempe superficielle et donc les aciers spécialement conçus pour elle.
Le durcissement de surface par arc électrique est un procédé rare en France mais très commun en Russie.
Parmi les techniques nouvelles, signalons les traitements localisés par faisceaux d'électrons et par laser. Le durcissement par trempe laser est particulièrement prometteur car il supprime la déformation et l'usinage ultérieur des pièces.
Des atomes étrangers, formant des solutions solides le plus souvent intersticielles, distordent les réseaux cristallins et augmentent la dureté superficielle en créant des contraintes résiduelles de compression, ce qui améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation. On distingue :
La cémentation est un cas particulier de la carbonitruration. On carbonitrure en général des pièces peu massives en acier mi-dur sur une profondeur voisine de 0,3 mm, puis on trempe en huile chaude. La cémentation convient plutôt à des pièces massives en acier doux traitées vers 0,8 mm, puis trempées en huile froide.
On peut cémenter sur une profondeur de plusieurs millimètres. Les atomes de carbone, dont le diamètre vaut 0,63 fois celui des atomes de fer, provoquent de grandes distorsions des réseaux cristallins et s'insèrent mieux dans les structures cubiques que dans les cubiques à face centrée. La diffusion de carbone doit toujours être suivie d'une trempe.
Dans le cas de contacts ponctuels ou linéiques, la profondeur du traitement doit atteindre environ deux fois celle du cisaillement hertzien maximal. La résistance à cœur des pièces est optimale vers 850 - 1080 N/mm2. On dispose de programmes de calcul définissant les caractéristiques des couches cémentées en fonction de l'usage prévu.
La cémentation n'est pas un traitement spécifique de l'usure adhésive, mais on peut la faire suivre d'une sulfuration à basse température. Il est toujours dommage de rectifier les pièces cémentées trempées à cause du relâchement des contraintes résiduelles de compression. La fragilisation des pièces cémentées par l'hydrogène peut être telle que des ruptures fragiles différées se produisent sous des contraintes anormalement basses. Une déshydrogénation aussi complète que possible est obtenue par un revenu sous vide ou dans un gaz inerte.
La cémentation sous vide présente des avantages importants de temps et de coût, tout en diminuant les distorsions des pièces par suite d'un maintien à température moins long. On note comme exemple d'application le traitement d'engrenages de réducteurs de vitesse d'hélicoptères.
La nitruration fut découverte en 1923 par un technicien de la firme Krupp qui, ayant chauffé un acier dans une atmosphère d'ammoniac, observa une dureté superficielle anormalement élevée.
La nitruration nécessite des aciers contenant un peu d'aluminium, 1,2 % par exemple. L'azote s'intercale dans le fer pour former une solution solide interstitielle et ouvre la voie à des atomes plus gros qui sans lui ne pénétreraient pas. Il se combine en partie avec le fer, mais seulement en surface, pour former du nitrure Fe4N. Un blocage des réseaux cristallins est provoqué par le nitrure d'aluminium stable AlN formé in situ.
La nitruration a d'importants avantages : faibles déformations pendant le traitement, dureté élevée, bon frottement même sous lubrification aléatoire, bonne résistance au revenu et à la corrosion, sauf sur les aciers inoxydables. C'est un traitement « complet » à cause de l'azote qui prévient le grippage et des contraintes résiduelles de compression qui sont créées. L'azote est le métalloïde le plus recommandable pour le frottement du fer sur le cuivre ou le bronze. Les couches nitrurées sont excellentes pour les faibles pressions superficielles et il faut tout tenter pour les utiliser à l'état brut. Leurs propriétés dépendent peu du procédé utilisé mais beaucoup de la microstructure obtenue.
Les inconvénients sont le temps de traitement qui peut atteindre 70 h, une faible profondeur durcie donc une faible usure tolérable, peu de résilience, de faibles contraintes et déformations admissibles en service ainsi qu'un léger gonflement des pièces.
Les procédés en phase gazeuse ALNAT N et ALNAT NO d'Air Liquide utilisent l'ammoniac et le protoxyde d'azote. Les surfaces sont un peu plus ductiles et moins sujettes à l'écaillage que par la nitruration gazeuse classique. Leur propriétés de frottement sont analogues à celles obtenues en nitruration ionique.
Les Allemands l'ont inventée en 1930 et appliquée en secret aux tubes des canons à longue portée. Ils ont poursuivi les études après la guerre à cause de la pauvreté de leur pays en éléments d'alliage. L'Europe est très en avance en matière de nitruration ionique, de l'aveu même des Américains.
Ce procédé utilise le plasma d'un arc électrique à basse tension et haute intensité à la pression atmosphérique, arc dans lequel l'azote présent est ionisé. Les ions accélérés percutent la pièce et s'y implantent, le nitrure de fer FeN est absorbé à sa surface et transformé en nitrures d'ordre inférieur. Le four de traitement ressemble à un gros tube à décharge où la cathode supporte les pièces à traiter, l'anode étant constituée par les parois.
On peut durcir une pièce dont l'usinage est entièrement terminé. Aucun autre traitement thermochimique ne conserve aussi bien la géométrie et l'état de surface. Il est préconisé sur des aciers de résistance 900 à 1100 N/mm2, d'où la nécessité d'un prétraitement pour obtenir les caractéristiques voulues à cœur. La profondeur courante est 0,3 mm et le gonflement de l'ordre de 5 microns. Les applications sont nombreuses :
L'introduction simultanée d'azote et de carbone suivie d'un durcissement par trempe améliore la résistance à la fatigue par flexion-torsion, à la fatigue superficielle sous charge modérée et à l'usure abrasive. La profondeur, fonction de l'usure admissible, doit être au moins deux fois celle du cisaillement maximal. Ce traitement n'est pas spécifique de l'usure adhésive.
Le traitement de boruration est réalisé entre 800 et 1050 °C, le bore diffusé sur 20 à 400 microns se combine pour donner du borure de fer. On obtient une très grande résistance à l'usure par abrasion et une bonne résistance à la corrosion. Les applications sont variées : guidefils, hélices, vis transporteuses, poinçons, matrices, pompes pour matières abrasives, guides, glissières, galets, outillage de moulage d'alliages légers ou de zinc . . . Un procédé moderne s'appelle Borudif.
En Russie on pratique beaucoup la boruration à composants multiples, en plus du bore on fait diffuser d'autres éléments : - le silicium améliore la résistance à l'abrasion en milieu aqueux, - l'aluminium protège la couche de borure de l'oxydation, - le vanadium réduit l'abrasion, - le cuivre réduit la fragilité de la couche de borures, - le chrome augmente la résistance à l'usure et à la corrosion, - le titane, en présence de chrome, augmente la durée de vie des pièces.
Le procédé de chromisation, industrialisé aux États-Unis dès 1919 est une cémentation au chrome donnant une couche superficielle extrêmement dure et un excellent coefficient de frottement. Après 90 minutes à 1075 °C dans des vapeurs de fluorure de chrome, la couche de diffusion atteint 0,1 mm. Le procédé français Dikrom utilise l'iodure de chrome.
L'acier chromisé porte un véritable revêtement de carbures de chrome extrêmement durs provoqué par la rétrodiffusion du carbone de l'acier vers la couche chromisée.
Les applications sont nombreuses : le traitement des outils à bois leur donne à bon compte la résistance à l'usure des outils au carbure. Un usage à température élevée concerne les filières d'extrusion du cuivre où la pression atteint 15 000 bars, la température 780 °C, le temps d'extrusion 100 s. La filière qui était changée à chaque extrusion en réalise 500 !
Ce traitement contre l'usure, le grippage et la corrosion est une diffusion de diver métauxs, principalement d'étain. Après dépôt électrolytique d'un alliage polymétallique, la diffusion et la liaison entre la couche et le support sont assurées par chauffage à 600 °C. Le Stanal, qui concerne la majorité des alliages ferreux et des fontes, est difficile en présence de nickel, de chrome ou de plus de 2 % de carbone.
La facilité de lubrification sous très forte charge, la sécurité sous lubrification aléatoire, multiplient plusieurs dizaines de fois la durée de vie de pièces frottant dans l'eau douce ou salée sans huile ni graisse. La résilience est accrue et le frottement de certains aciers inoxydables devient possible.
Le respect de la règle des trois couches est idéal : on crée une couche superficielle très mince à base d'étain, une couche de diffusion dure et ductile forme des phases dures de l'alliage binaire cuivre-étain, capable d'accomoder et de régénérer par frottement le manteau protecteur d'étain, et une zone de transition réalise l'accrochage des couches superficielles.
Le gonflement est de 25 à 30 microns, les pièces doivent être finies avant traitement. Le forez multiplie la charge de rupture des films d'huile, augmente la résilience ainsi que la résistance à la fatigue et à la corrosion. Il permet par exemple de remplacer le bronze des roues de réducteurs à roue et vis sans fin par de l'acier.
Une diffusion de manganèse forme en surface une structure d'acier Hadfield qui durcit très fortement par écrouissage. On peut si nécessaire produire simultanément une sous-couche carburée. Parmi les applications, citons : frottement dans l'eau, cames, engrenages, pistes de roulement ...
Combinaison d'une nitruration et d'un revêtement de chrome. L'association des deux techniques n'est pas évidente : les sociétés sont rarement spécialistes de l'un et de l'autre, par ailleurs il est très difficile de préparer une surface nitrurée pour la chromer correctement. Le nouveau traitement est actuellement appliqué pour des outillages de forge.
Les aciers inoxydables peuvent être durcis par l'étain déposé par immersion et diffusé pendant 48 h : le composé défini FeSn dissout le nickel et le chrome et forme une couche continue de dureté élevée.
Trois heures à 560-565 °C dans un bain de cyanures et de cyanates alcalins, avec soufflage in situ d'oxygène, donnent sur les aciers au carbone une couche superficielle de 10 à 15 microns (épaisseur à ne pas dépasser) de cémentite Fe3C et de nitrure de fer Fe4N, très dure mais adhérente et peu fragile, et une sous-couche de plusieurs dixièmes de mm contenant du nitrure de fer et de l'azote.
Le Tenifer diminue la sensibilité de l'épiderme aux soudures, améliore la dureté superficielle et les qualités frottantes, augmente la résistance à l'usure, à la corrosion, et peut doubler la résistance à la fatigue. On traite des pièces variées : essieux, vilebrequins, engrenages, chemises de moteurs, glissières, galets, vis, poinçons, moules de coulée d'alliages légers, fusées de roues, axes, leviers, pièces de pompes à eau, de machines à coudre, à calculer, à écrire ...
Comme on le verra dans le chapitre consacré aux lubrifiants, le soufre joue depuis longtemps un grand rôle dans les problèmes de frottement. Son action reste pourtant mystérieuse et la composition exacte des couches obtenues par sulfuration n'est pas exactement élucidée. On traite des matériaux divers :
Il faut éviter de faire frotter les pièces traitées par sulfuration sur du chrome dur et de les usiner par abrasion.
Nécessite 3 h à 550°C dans un bain de sels assez complexe comprenant une base inactive de chlorures et carbonates alcalins et alcalinoterreux et des sels actifs soufrés protégés par du cyanure. Il y a surcarburation des couches superficielles et introduction intersticielle de soufre et d'azote qui favorisent mutuellement leur pénétration. L'enrobage des grains facilite l'accomodement avec un minimum d'écrouissage.
Le sulfinuz n'abaisse pas le coefficient de frottement mais la microcouche de sulfure de fer inhibe les soudures tandis que les contraintes résiduelles de compression peuvent augmenter de 60 % la pression au-delà de laquelle apparaissent les premières fissures de surtension. Il n'y a pas d'augmentation de la dureté, contrairement à ce que l'on pourrait croire.
Le sulfinuz est un traitement cher, mais qui résout bien des problèmes de frottement à chaud. L'association nitruration plus sulfinuz est la meilleure solution contre l'abrasion par fil, à condition de ne jamais rectifier entre les deux traitements.
Le sulfinuz amélioré par la présence de cadmium permet à l'acier de frotter sur les alliages légers. Le fort abaissement du coefficient de frottement permet des applications dans les milieux oxydants, aqueux, ou en ambiance marine. Le sulficad s'applique sur des pièces terminées, éventuellement très précises. Ses applications sont toutefois limitées en raison de la toxicité du cadmium.
Traitement entre 560 et 570 °C pendant 2 à 5 h dans un bain non polluant de cyanates et carbonates alcalins. La teneur en cyanures est faible, même en cas d'incident, l'adaptation d'installations pour le sulfinuz et le ténifer est immédiate et la consommation de sels très réduite.
La couche de nitrures et sulfures de fer, épaisse de plus de 20 microns, est très dure et très ductile. La diffusion d'azote atteint 0,5 mm. Les propriétés antigrippantes sont remarquables, comme la tenue à l'usure, à la fatigue et à la corrosion. On traite tous les aciers qui peuvent supporter la température prescrite.
Elles concernent des pièces déjà traitées par cémentation, carbonitruration, trempe, revenu et rectification éventuelle. Ces traitements courts et très simples ne provoquent ni déformation, ni chute de durété importante, mais ils peuvent diminuer la résistance à la fatigue et faciliter la corrosion par l'huile.
Les phosphatations modernes font intervenir du zinc pour obtenir une couche de phosphate double de fer et de zinc qui peut être imprégnée. La phosphatation au zinc ou parkérisation est dite cristalline par opposition à la phosphatation amorphe. En emboutissage et tréfilage, la phosphatation des tôles permet de retenir suffisamment de lubrifiant. La phosphatation au manganèse ou Parcolubrite crée à la surface des pièces en acier une couche de 4 à 5 microns de phosphates complexes de fer et de manganèse capables de retenir un film lubrifiant, voire un lubrifiant solide dans une résine polymérisable. Applications : segments de pistons, chemises, tiges d'amortisseurs.
Par oxydation puis huilage (c'est une manière de brunissage), on obtient une surface d'un beau noir profond améliorant le frottement et la lubrification.
L'aluminium est le métal le plus abondant dans l'écorce terrestre, tandis que le magnésium arrive en troisième position ; dans un monde où les ressources en matériaux précieux ou semi-précieux vont devenir, au fil des années, de plus en plus restreintes, cette disponibilité très importante plaide en faveur d'une utilisation plus large de ces deux métaux pour la fabrication des pièces mécaniques. Si l'aluminium est assez largement utilisé pour fabriquer des pièces de structure, il n'en est pas de même pour le magnésium qui, pour l'essentiel, est utilisé comme élément d'alliage ajouté à l'aluminium. Les propriétés spécifiques de ces deux matériaux, entre autres celles qui tiennent compte de leur faible densité, sont finalement assez mal exploitées.
En fait, les alliages d'aluminium et de magnésium sont peu adaptés au frottement à cause de la solubilité de l'aluminium dans la plupart des métaux et en particulier dans l'acier, et de sa sensibilité à la déchirure par frottement excessif et surcontraintes de traction. Le moidre défaut de lubrification lors du glissement dans un contact acier/aluminium conduit irrémédiablement au transfert d'aluminium sur l'acier et donc au grippage.
L'aluminium et l'acier ne peuvent être utilisés pour confectionner des pièces frottantes que si leurs surfaces sont spécialement traitées dans ce but. On peut par exemple :
Dans tous les cas la préparation de surface est essentielle, afin d'obtenir des couches parfaitement adhérentes.
C'est sans doute le traitement le plus simple et le plus courant sur les pièces d'aluminium. L'anodisation forme en surépaisseur une couche d'alumine de 0,04 à 0,1 mm, à la fois très dure et très résistante à l'usure, mais de faible conductivité thermique et sensible aux chocs et aux surpressions hertziennes. Cette couche est poreuse et on peut colmater les pores par des films de lubrifiants liquides ou solides. Sur le magnésium on obtient des couches très poreuses qui peuvent être trois fois moins dures que celles que l'on obtient sur l'aluminium. On peut également les colmater pour les rendre étanches, ou encore pour qu'elles puissent faciliter l'accrochage de peintures ou de vernis. Il est vrai que pour le magnésium le premier problème à résoudre, avant celui du frottement, est celui de la corrosion.
Un dépôt galvanique à base de cuivre et d'indium chauffé pendant 3 h vers 170 °C forme sur 15 à 20 microns une couche de diffusion parfaitement homogène et régulière, dure, conductrice de la chaleur et de l'électricité, pouvant suivre sans se briser les déformations éventuelles du substrat. Il se produit un gonflement de l'ordre de 15 microns.
L'indium inhibe tout grippage contre l'acier ou le chrome, la pièce s'en recouvre dès le début du frottement, permettant même le glissement dans l'ultravide. On note une amélioration de la tenue des films d'huile. Les meilleurs antagonistes sont les aciers, le chrome dur, le molybdène et dans certains cas les alliages d'aluminium. Le zinal permet de remplacer par l'aluminium les alliages cuivreux des fourchettes de boîtes de vitesses, le bronze ou l'acier revêtu de molybdène des cônes de synchroniseurs. On l'utilise aussi pour les convoyeurs ou les freins d'automobiles.
Le Delsun traite les principaux alliages cuivreux, bronzes et laitons. Un dépôt chimique polymétallique (étain, cadmium, antimoine, indium) diffuse de 1 à 2 heures à 400 °C. Cela crée une phase très dure et très ductile en surface, couverte d'un fin manteau antigrippage régénéré lors du frottement. Il est quasi impossible de faire gripper un acier et un matériau antagoniste traité, les performances restent correctes dans l'eau, d'où l'emploi en robinetterie. La surépaisseur vaut 7,5 microns et la rugosité optimale avant traitement 1 à 3 microns CLA. Le delsun double les pressions hertziennes tolérables et augmente la résistance à l'abrasion. On l'utilise sur des synchroniseurs, coussinets, fourchettes, engrenages, roues à vis sans fin, écrous, vérins, chemises, segments, clapets, vannes, tiges de commande, matrices pour tôles inoxydables, matériel électrique, pompes à engrenages.
Signalons enfin la possibilité de sulfurer les bronzes.
Cette diffusion simultanée de chrome et d'aluminium est spécifique des superalliages réfractaires à base de nickel et de cobalt utilisés dans les turboréacteurs. Elle en protège en particulier les ailettes contre l'érosion par les gaz de combustion qui circulent à grande vitesse.
Le titane est léger, résiste bien aux contraintes et à la corrosion, mais grippe facilement sur lui-même ou sur l'acier. On a essayé, sans grand succès, diverses solutions :
Le tifran réalise par diffusion en phase gazeuse à 700 °C une couche de 10 à 60 microns composée principalement d'oxydes, résistante au grippage et à l'usure, et qui rend possible la tenue de films lubrifiants de MoS2 ou de PTFE. Cette couche peut frotter sur elle-même ou sur l'acier, mais pas sur le titane nu.
Les alliages de magnésium sont difficiles à protéger de l'abrasion et de la corrosion. Le traitement magnadise de la société General Magnaplate Corporation, Linden, États-Unis, forme une couche d'oxyde de magnésium poreuse, d'épaisseur 0,076 à 0,5 mm, imprégnée de PTFE ou de MoS2 et incrustée dans le réseau cristallin. Cette couche est très dure, lisse et glissante.
Par électrolyse dans un bain aqueux de paramolybdate et de sulfure d'ammonium, on réalise in situ une couche de MoSModèle:Ind trois fois plus durable que celles obtenues par friction ou à la bombe.
