Technologie/Matériaux/Traitements de surface

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Introduction[modifier | modifier le wikicode]

Les traitements de surface sont des traitements ayant pour but de modifier les propriétés physiques et/ou chimiques des matériaux. Un traitement de surface ajoute un coût et des contraintes supplémentaires :

  • coût de main d'œuvre, de transport en cas de sous-traitance ;
  • coût de consommables, de l'énergie ;
  • problème environnementaux et sur la santé liés aux effluents : vapeurs, bains utilisés.

L'intérêt d'un traitement de surface est de :

  • permettre d'utiliser un matériau moins cher, en améliorant localement ses propriétés ;
  • allier les propriétés propres du matériau (propriétés à cœur) et les propriétés de surface.

Le traitement de surface est en général le dernier traitement de la pièce avant livraison : toute opération subséquente risquerait de dégrader le traitement.

En conception, il faut prendre en compte le traitement de surface dès le départ :

  • il fait partie du choix du matériau ;
  • il peut imposer des contraintes sur la forme, en général éviter les angles vifs et les recoins ;
  • il faut prendre en compte la surépaisseur engendrée dans la dimension des pièces.

Vocabulaire[modifier | modifier le wikicode]

Nous allons tout d'abord préciser quelques points de vocabulaire pouvant prêter à confusion.

Cémentation
Dans le sens premier, la cémentation est l'opération consistant à faire pénétrer du carbone dans la surface d'un acier, à le faire diffuser. Le terme a été étendu à la pénétration de tout élément chimique, sans qu'il y ait de réaction chimique en surface avec le métal.
Chromatation, chromisation, chromage
Il existe plusieurs traitements de surface faisant intervenir le chrome :
  • le chromage consiste à déposer une couche de chrome sur le métal ;
  • la chromisation consiste à faire diffuser du chrome sous la surface (cémentation au chrome) ;
  • la chromatation consiste à créer des chromates par réaction chimique entre le métal et le bain de traitement (traitement de conversion).

Classement par procédé[modifier | modifier le wikicode]

  • Modification mécanique de la surface :
    • écrouissage (écrasement de la matière) :
      • galetage,
      • grenaillage,
      • moletage,
    • polissage (enlèvement de matière) :
      • polissage mécanique (abrasion), bouchonnage ;
      • polissage électrolytique (dissolution acide assistée par un passage de courant électrique) ;
  • traitements thermiques :
    • trempe superficielle ;
  • traitement thermochimique (diffusion d'atomes activée thermiquement), en phase gazeuse, liquide ou par implantation ionique :
    • cémentation (carbone),
    • nitruration (azote),
    • carbonitruration (carbone et azote),
    • sulfonitruration (soufre et azote),
    • chromisation (chrome) ;
  • revêtement :
    • dépôts électrolytique (passage de courant électrique dans une solution ionique) :
      • argenture (argent),
      • cadmiage (cadmium),
      • chromage (chrome),
      • cuivrage (cuivre),
      • dorure (or),
      • étamage (étain),
      • galvanisation électrolytique, zingage (zinc),
      • nickelage (nickel),
    • bain de métal liquide :
      • galvanisation à chaud (zinc),
    • peinture (formation d'une couche de polymère),
    • revêtement thermoplastique (plaquage de polymère),
  • traitement de conversion (réaction chimique entre le métal et le bain de traitement) :
    • anodisation (oxygène),
    • chromatation (chrome),
    • phosphatation (phosphore).

Classement par fonctions[modifier | modifier le wikicode]

Nous classons ici les traitements par fonction, dans l'optique d'une approche conception. Un traitement peut donc se retrouver dans plusieurs catégories à la fois ; on n'indique alors pas tous les domaines d'application à chaque fois, mais uniquement les domaines concernés par la fonction décrite.

Modifier les propriétés mécaniques[modifier | modifier le wikicode]

Le but des ces traitements est d'améliorer les propriétés de contact.


Pour plus de détails voir : Tribologie/Traitements anti-usure et Tribologie/Revêtements anti-usure.

Durcir[modifier | modifier le wikicode]

Les traitements de durcissement sont utiles pour les pièces soumises au frottement ou au roulement — résistance l'usure —, au matage et aux chocs — évite la déformation —, lorsqu'il n'est pas nécessaire d'avoir une bonne résistance à cœur — la pièce n'est pas soumise à une sollicitation globale importante (traction, compression, cisaillement, torsion, flexion). Le durcissement superficiel s'accompagne en général d'une fragilité ; on peut donc associer une bonne résilience à cœur (déformation sans rupture en cas d'accident) et une bonne dureté superficielle.

Dans le cas des sollicitations en flexion et en torsion, les contraintes sont maximales à la surface de la pièce. Un traitement de surface peut donc améliorer les propriétés globales d'une pièce sollicitée « dans la masse ».

Traitements de durcissement
Traitement Métal support Épaisseur Dureté Domaines d'application
Vickers
HV
Rockwell
HR
Anodisation aluminium et alliages 0,01 à 0,12 mm 50 à 70 pièces d'usure
Carbonitruration aciers de cémentation et de nitruration 0,05 à 0,5 mm articulations, arbres
Cémentation + trempe superficielle aciers de cémentation (non alliés à faible teneur en carbone) 0,5 à 1 mm 550 pièces d'usure, arbre à cames
Chromisation aciers à faible teneur en carbone 25 à 500 μm 1 000 à 1 600 limes, filières, fraises dentaires
Nitruration aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) 0,1 à 0,5 mm 600 à 1 200 pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe
Trempe superficielle aciers de cémentation (non alliés à forte teneur en carbone) 0,5 à 5 mm variable dents d'engrenage, bancs de machine-outil

Amollir[modifier | modifier le wikicode]

On peut vouloir au contraire avoir une surface plus souple, plus molle, par exemple pour éviter de blesser.

Traitements de durcissement
Traitement Métal support Épaisseur Dureté Domaines d'application
Dépôt PVC alliages ferreux, aluminium et alliages, verres 200 à 300 μm fils

Résister à la fatigue[modifier | modifier le wikicode]

Dans le cas d'une rupture en fatigue, la fissure commence en général en surface. Par ailleurs, la sollicitation en fatigue se fait souvent par flexion ou torsion, ce qui nous ramène à la remarque de la section précédente. Ceci explique qu'un traitement de surface peut améliorer la tenue en fatigue d'une pièce.

Les traitement d'écrouissage de surface et de cémentation mettent la surface en compression (précontrainte) et donc évitent l'alternance traction-compression. Les traitements d'élimination des rayures par écrouissage, polissage mécanique ou polissage électrolytique, évitent les concentrations de contrainte ; cependant, les polissages enlèvent de la matière et donc éliminent l'écrouissage superficiel, qui est lui bénéfique contre la fatigue.

Traitements de résistance à la fatigue
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Carbonitruration aciers de cémentation et de nitruration 0,05 à 0,5 mm sollicitations en flexion/torsion : articulations, arbres
Grenaillage, moletage, galetage métaux et alliages ductiles ressorts, arbres
Polissage métaux et alliages ductiles
Sulfonitruration alliages ferreux 20 à 30 μm 700 à 1 000 glissières, paliers, guides

Réduire les coefficients d'adhérence et de frottement[modifier | modifier le wikicode]

La réduction des coefficients d'adhérence (μo ou ƒo) et de frottement (μ ou ƒ) permet d'éviter le grippage, l'arc-boutement et l'usure, et améliore le rendement du mécanisme (moins de dissipation sous forme de chaleur). Cela peut éviter d'avoir à lubrifier. On a donc une augmentation de la durée de vie des pièces, une réduction du coût de fonctionnement et du coût de maintenance.

Traitements de réduction de l'adhérence et du frottement
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Chromage dur alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages 0,05 à 0,5 mm 900 à 1 000 cycles, ameublement
Chromisation aciers à faible teneur en carbone 25 à 500 μm 1 000 à 1 600 limes, filières, fraises dentaires, moules
Nitruration aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) 0,1 à 0,5 mm 600 à 1 200 pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe
Phosphatation alliages ferreux 0,05 à 0,5 mm 900 à 1 000 tôles d'emboutissage, billettes pour tréfilage
Sulfonitruration alliages ferreux 20 à 30 μm 700 à 1 000 glissières, paliers, guides

Résister à l'environnement[modifier | modifier le wikicode]

On s'intéresse ici à l'inertie chimique : résistance à la corrosion, mais aussi résistance au milieu industriel — produits circulant dans les tuyauteries ou stockés dans les cuves. Dans la partie « domaine d'application », nous nous contentons d'indiquer éventuellement les milieux chimiques spécifiques.

Traitements de protection contre la corrosion
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Anodisation aluminium et alliages 0,01 à 0,12 mm menuiserie
Cadmiage alliages ferreux, cuivre et ses alliages 2 à 30 μm 25 à 30 milieu alcalin
Carbonitruration aciers de cémentation et de nitruration 0,05 à 0,5 mm
Chromatation zinc et ses alliages (acier galvanisé[1]), aluminium et ses alliages, cadmium
Chromisation aciers à faible teneur en carbone 25 à 500 μm 1 000 à 1 600
Galvanisation alliages ferreux, aluminium et ses alliages 5 à 30 μm 70 à 240 atmosphère marine
Étamage alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages 5 à 30 μm milieu alimentaire (fer blanc) et chimique
Nickelage alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages 5 à 25 μm 150 à 400 hautes températures, produits chimiques, alimentaire, nucléaire
Nitruration aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) 0,1 à 0,5 mm 600 à 1 200
Peinture tous supports 10 à 20 μm milieux non abrasif, températures modérées
Phosphatation alliages ferreux 0,05 à 0,5 mm 900 à 1 000 en préparation de peinture

Modifier les propriétés électriques[modifier | modifier le wikicode]

La conduction électrique se fait en surface (effet de peau) : le champ électrique est nul au sein d'un conducteur, et tous les métaux sont conducteurs. Un traitement de surface permet donc d'améliorer la conductivité électrique (diminuer la résistance électrique de la pièce). Par ailleurs, si l'on forme une couche isolante électrique, on empêche le passage du courant dans la pièce.

Améliorer la conductivité[modifier | modifier le wikicode]

Traitements d'amélioration de la conductivité électrique
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Argenture tous métaux et alliages, plastiques 5 à 400 μm 25 à 80
Cadmiage alliages ferreux, cuivre et ses alliages 2 à 30 μm 25 à 30
Cuivrage alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages 5 à 25 μm 50 à 100
Dorure tous métaux et alliages, plastiques 0,2 à 5 μm 20 à 60

Isoler électriquement[modifier | modifier le wikicode]

Traitements d'isolation électrique
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Anodisation aluminium et alliages 0,01 à 0,12 mm
Peinture tous supports 10 à 20 μm milieux non abrasif, températures modérées
Phosphatation alliages ferreux 0,05 à 0,5 mm

Être esthétique[modifier | modifier le wikicode]

Traitements esthétiques
Traitement Métal support Épaisseur Dureté
Vickers
HV
Domaines d'application
Anodisation aluminium et alliages 0,01 à 0,12 mm
Argenture tous métaux et alliages, plastiques 5 à 400 μm 25 à 80
Chromage dur alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages, laiton 0,05 à 0,5 mm 900 à 1 000 cycles, ameublement, robinetterie
Dorure tous métaux et alliages, plastiques 0,2 à 5 μm 20 à 60
Grenaillage, molletage, galetage métaux et alliages ductiles
Polissage métaux et alliages ductiles
Peinture tous supports 10 à 20 μm milieux non abrasif, températures modérées

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  1. on traite la couche de zinc déposée sur l'acier, et pas l'acier lui-même

Bibliographie[modifier | modifier le wikicode]

  • C. Hazard, F. Lelong, B. Quizain, Mémotech structures métalliques, Casteilla, 1997 (ISBN 2-7135-1751-6), p. 40-41 


Images en réserve[modifier | modifier le wikicode]