Tribologie/Revêtements anti-usure

Généralités

Les matériaux d'apport utilisables pour diminuer le frottement et l'usure sont extrêmement divers :

• métaux compatibles en frottement avec l'antagoniste, utilisés purs ou alliés : plomb, indium, étain, bronze ...
• métaux durs contre l'abrasion, éventuellement en couches épaisses de 1 mm et plus : chrome, molybdène ...
• alliages très durs pour contrer l'abrasion, éventuellement à chaud, sous forme de couches plutôt épaisses, voire de rechargement : nickel-chrome, nickel-chrome-bore, cobalt-chrome-tungstène-bore, ..., sur des crochets de levage, cames, soupapes, dents de pelleteuses ...
• céramiques : carbures métalliques, alumine, zircone, ... sur des portées de presse-étoupe, chemises de pistons ...
• matières plastiques et élastomères : le Rilsan, utilisable jusqu'à 80-100 °C, a une bonne résistance au frottement, à l'abrasion, à la cavitation. Contre cette dernière, on utilise aussi des caoutchoucs à base de polyuréthanne ou de néoprène.

Pour des applications particulières le lecteur pourra aussi se reporter au chapitre consacré aux applications pratiques de la tribologie, en particulier pour tout ce qui concerne les outils de coupe.

Revêtements par voie chimique humide

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.

Les revêtements minces inorganiques sans chrome Dacral, conformes aux nouvelles normes européennes, sont de couleur gris aluminium. Ils sont destinés à protéger de la corrosion des pièces en acier, en fonte ou autres métaux ferreux et concernent particulièrement les vis, écrous, agrafes, etc., destinés à la construction automobile. Selon le fabricant, le Géomet 321 est constitué de lamelles de zinc et d’aluminium dans une matrice inorganique, avec une épaisseur de 5 et 10 µm. Son application n’entraîne pas de fragilisation par l’hydrogène. Le revêtement est appliqué par immersion à froid dans une dispersion aqueuse ou par pulvérisation, sans électrolyse. Le Géomet 500 offre en plus une lubrification intégrée.

Revêtements par voie électrochimique

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.

Dépôts de nickel

Des dépôts durs de nickel, allant de 10 ou 20 micromètres à plus de 12 mm, protègent de l'usure l'intérieur de vannes en aluminium, des arbres de pompes, des pistons de presses hydrauliques ... ou permettent de rénover certaines pièces. Le nickel qui frotte mal contre lui-même se montre intéressant contre la corrosion de contact en présence d'acier lubrifié, surtout avec 8 % de phosphore (procédé Kanigen). Le dépôt de nickel peut être associé avec du phosphore, qui permet de moduler la résistance à la corrosion et la dureté du revêtement, selon l'usage prévu pour la pièce traitée. Un haut degré de phosphore ou un traitement thermique de diffusion améliorent la résistance à la corrosion. Pour un taux de phosphore moyen la dureté est de l'ordre de 550 Vickers mini mais elle peut atteindre 900 à 950 Vickers avec un traitement thermique de durcissement (Acier prétraité = 200 Hv, acier trempé = 550 Hv, diamant = 2200 Hv). La résistance à l'usure est au contraire optimale avec un traitement thermique adapté ou un nickel bas phosphore. Le coefficient de frottement nickel/acier est inférieur de 30% à celui de l’acier/acier (contrairement à un nickel électrolytique pur). L’état de surface initial du substrat n’est pas modifié par le traitement. La résistivité électrique et le magnétisme varient selon le taux de phosphore ou le traitement thermique réalisé. Le nickelage peut être employé comme « barrière thermique ». Propriétés diverses du nickel :

• Température de fusion 900°C.
• Bonne soudabilité.
• Très bonne adhérence sur le support.
• Offre un bel aspect d’une couleur proche de l’inox.

Sur des pièces de mécanique fine (tolérances serrées) on peut utiliser le procédé Nuflon NIKL ® qui est un dépôt chimique de Nickel chargé de PTFE.

Dépôt de chrome

Le chromage dur est de tous les revêtements métalliques anti-usure celui qui glisse le mieux. Il autorise la protection de pièces neuves et le rechargement pour réparation. Par ailleurs, il est apte au contact alimentaire. Il résiste à pratiquement tous les agents chimiques courants (sauf l'acide chlorhydrique), même à haute température ; on peut l'utiliser jusqu'à 800°C dans l'air. Son pouvoir de protection contre la corrosion est considérablement amélioré par une sous couche de nickel. La dureté est très élevée, de 1000 à 1100 vickers. (Acier prétraité = 200 Hv, Acier trempé = 550 Hv, diamant = 2200 Hv). Par rapport à des pièces en acier non traité, dans le cas d'usure abrasive, la durée de vie moyenne des pièces est multipliée par 5 à 10. Le coefficient de frottement chrome/acier est diminué de moitié par rapport au coefficient acier/acier. Selon les traitements des pièces avant ou après chromage (rectification, polissage, sablage, grenaillage...) on peut faire varier le Ra de 0,01 (poli miroir) à 10 µm. L'épaisseur, déterminée en fonction des besoins, peut aller de quelques micromètres à 5/10 de mm pour la réparation. Le chrome dur, idéal pour combattre à la fois la corrosion et l'abrasion, s'associe bien au bronze non phosphoreux cuivré ou à la fonte argentée. Caractéristiques diverses du chrome :

• Excellent conducteur thermique et électrique.
• Température de fusion : 1800°C.
• Amagnétique.
• Dépôt peu mouillable (mais pouvant le devenir).
• Très bel aspect de surface, largement modulable par différents procédés.
• Densité 7,2
• Parfaite adhérence sur son support (accroche moléculaire).

Codéposition avec des particules dures

Dispersion de carbures

On peut revêtir les alliages légers et ultra légers par une dispersion de carbures, notamment de silicium, dans une couche de nickel (Nikasil, Elnisil, Galnikal, Revasil).

Le Nikasil est le nom déposé d'un dépôt électrolytique de carbure de silicium dans une matrice de nickel oléophile souvent utilisé pour le revêtement des cylindres de moteurs thermiques. Il a été mis au point en 1967 par Mahle pour permettre au rotor triangulaire des moteurs Wankel de fonctionner directement dans un carter d'alliage d'aluminium. On peut aussi l'appliquer dans les cylindres en fonte et pour regarnir des cylindres usés, en particulier ceux des très gros moteurs. Ce traitement a été développé par la suite par US Chrome Corporation au début des années 1990, sous le nom commercial Nicom, essentiellement pour remplacer le chromage dur. Il est aujourd'hui employé surtout pour les moteurs à hautes performances, en particulier ceux qui sont destinés à la compétition automobile et motocycliste.

Ajout de nanoparticules de diamant

La synthèse de nanoparticules de diamant sous l'effet de détonations a été découverte dans les années 1960 mais l'étude de leurs propriétés reste aujourd'hui très incomplète. Ces particules ont des dimensions de l'ordre de 5 nm et sont constituées par un cœur de diamant enrobé de couches de graphite et de carbone amorphe susceptibles d'entrer dans de nombreuses combinaisons chimiques. Les premières recherches, conduites dans l'ancienne Union Soviétique, ont fait entrevoir une vaste gamme d'applications industrielles dont beaucoup relèvent de la tribologie : amélioration des revêtements de surfaces, polissage, lubrification, applications biomédicales, etc.

C'est dans les domaines des revêtements électrolytiques et des additifs pour la lubrification que les possibilités sont les plus grandes, mais on ne sait pas encore comment les nanoparticules agissent. Pour les uns, l'amélioration des performances est directement due à leur inclusion dans les structures des dépôts. Pour les autres, c'est leur présence qui rend la structure des dépôts moins « colonnaire » et moins poreuse.

L'ajout de nanoparticules de diamant est particulièrement efficace dans les dépôts électrolytiques à base de nickel, dont on attend qu'ils remplacent les dépôts de chrome dont la mise en œuvre nécessite des produits très toxiques. L'effet est particulièrement intéressant sur les dépôts de nickel-bore, qui colmatent les porosités de la surface de l'acier inoxydable ou d'autres métaux, améliorant ainsi la résistance à la corrosion et diminuant l'usure. Bien qu'elle reste inférieure à celle des dépôts de chrome, la dureté des dépôts à base de nickel est multipliée par 2 ou 3, sans que l'on sache trop comment, grâce aux nanoparticules de diamant.

La morphologie des couches superficielles a été étudiée grâce au microscope électronique à balayage. Les dendrites caractéristiques des dépôts de Ni-B montre clairement des colonnes dont on pense, grâce à la diffraction des rayons X, que leur structure est amorphe et non cristalline. En présence de nanoparticules de diamant, ces colonnes deviennent plus droites et plus fines. Après traitement thermique, la structure devient davantage cristalline mais avec un grain plus fin que sans nanoparticules. Le traitement augmente peu la dureté mais le module d'Young peut être doublé, tandis que la ductilité augmente.

Utilisation de nanoparticules de céramique

La société CerMet Lab Company propose sa technique CerMet-Auto (TM), un revêtement de céramique apportée sous forme de nanoparticules introduites dans le lubrifiant. Ces particules sont véhiculées jusqu'au niveau des zones de frottement où elles se soudent au substrat métallique.

Ce produit est désormais vendu aux USA (200 $ pour 10 ml) pour être utilisé dans les moteurs des véhicules automobiles. Le fabricant assure que son utilisation est rentable, en raison de la diminution des frottements et de la baisse de consommation qui en résulte (8 novembre 2008).

Métallisation au trempé

On recouvre l'acier et parfois les alliages légers par trempage dans un bain de métaux fondus : plomb, zinc, aluminium, ...

Revêtements par projection ou rechargement

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.

Métallisation au fil ou à la poudre

C'est essentiellement une technique de réparation. Le métal de rechargement est apporté sous la forme de fil ou de poudre, il est projeté sur la pièce dans la flamme d'un chalumeau. La rapidité du procédé fait que la pièce ne subit pratiquement aucun échauffement lors du dépôt, mais l'absence de fusion superficielle fait que les revêtements obtenus sont le plus souvent poreux, ce qui, d'ailleurs, n'est pas forcément un inconvénient.

On peut déposer par ce moyen des métaux très divers, acier au carbone, acier inoxydable, acier au chrome, aluminium, bronze, cuivre, molybdène, etc.

Les revêtements obtenus ainsi permettent de lutter contre la corrosion et surtout de remettre en état des pièces localement endommagées dans des zones de portées (montages de roulements) ou dans des zones soumises à des frottements intenses (portées de joints d'étanchéité, tiges de vérins). Par ailleurs, ils constituent également une très bonne base d'accrochage pour les peintures .

Métallisation-refusion

Le principe est le même que pour la métallisation « ordinaire » au chalumeau mais l'opération de dépôt est suivie d'une fusion superficielle des pièces qui permet de réaliser des revêtements compacts, exempts de porosité. Le refroidissement rapide et le choix plus vaste des matériaux à déposer permettent d'obtenir des couches superficielles de grande dureté (jusqu'à 75 HRC), très résistantes aux diverses forme d'usure et à l'oxydation.

On dépose de cette façon des alliages à base de nickel, de chrome, éventuellement chargés en produits durs (par exemple nickel + carbure de tungstène), des alliages réfractaires à base de cobalt (Stellites), etc.

Les applications pratiques sont nombreuses, on peut citer par exemple les pistons plongeurs de pompes et surpresseurs, les arbres de pompe, les portées de joints d'étanchéité, les sièges de vannes et les zones de travail de certains outillages de fabrication, comme les cônes de tréfilage.

Projection plasma

Le principe est toujours le même mais les torches à plasma permettent d'obtenir des températures beaucoup plus élevées qu'avec les simples chalumeaux (jusqu'à 18000 °C) et des vitesses de projection largement supersoniques pouvant atteindre Mach 2.

On dépose par ce procédé des matériaux non métalliques, surtout des oxydes très réfractaires de chrome, d'aluminium ou de titane.

La résistance à la corrosion est excellente et la tenue à l'usure permet de préconiser ce type de revêtement pour les portées de joints d'étanchéite soumises à des conditions sévères, les pistons, arbres de pompes ou douilles d'usure diverses.

Les revêtements de carbure de tungstène fondu fournissent l'une des meilleures solutions possibles pour résoudre les problèmes d'abrasion les plus sévères. Ceci concerne de très nombreuses pièces actives des broyeurs, des mélangeurs, des systèmes de râclage, les vis de briquetterie et les vis d'Archimède qui servent au transport de produits minéraux, de céréales, etc.

Projection supersonique

Des particules métalliques sont introduites dans une veine gazeuse en combustion (2800°C). Les températures sont plus basses qu'avec le plasma mais les vitesses de projection sont très élevées, jusqu'à Mach 5 à Mach 6 au moment de l'impact. Les revêtements ainsi obtenus sont parmi les meilleurs que l'on sache obtenir, par leur homogénéité, leur absence de porosité et leur excellent accrochage sur le support. La dureté est très élevée.

Les matériaux les plus couramment utilisés sont les aciers inoxydables, les bronzex, le cuivre, les superalliages, les carbures de tungstène et de chrome, les stellites.

Le procédé est recommandé pour les pièces de guidage, les rails de glissières, les turbines et les pompes destinées aux liquides chargés et corrosifs.

Plasma transféré, soudage, stellitage

Il s'agit d'une adaptation des procédés ARC, MIG et TIG, applicable au dépôt par soudures de la plupart des métaux sous forme de couches très épaisses. On la préconise pour la remise en état des pièces très fortement usées.

Les matériaux souvent déposés par ce procédé sont les alliages à base de cobalt (stellites), les aciers inoxydables et réfractaires, le nickel associé au carbure de tungstène.

On traite de cette façon les clapets, sièges de vannes, douilles d'usure de toutes sortes, ainsi que les vis d'extrusion. Douilles d'usure

Projection de mélanges

Le revêtement SkidCoat, de la société Métallisation Nord industrie, est un mélange céramique-polymère semi-cristallin déposé par projection plasma. Depuis plusieurs années, les fluoropolymères sont de plus en plus présents dans diverses applications dues à leurs propriétés uniques telles qu’une résistance chimique importante et un bas coefficient de frottement.

Toutefois, ces matériaux très performants offrent une résistance assez pauvre à la corrosion et à l’usure. Afin d’améliorer et de renforcer ces propriétés, une structure composite céramique polymère a été développée par la société Métallisation Nord Industrie.

Ce revêtement est utilisé dans des domaines tels que l'industrie du papier, l'imprimerie, l'agroalimentaire, la plasturgie, l'automobile ou l'aéronautique. Il remplace les revêtements traditionnels avec une tenue aux chocs mécaniques et à la flexion largement supérieures. Le polymère est par ailleurs hydrophobe et résiste à la corrosion et à l'abrasion.

Le revêtement Carflon proposé par la même société est un composite de carbure de tungstène et de PTFE projeté à une vitesse largement supersonique (mach6) à l'aide d'un appareil à détonation. Il est très dur, résiste aux chocs, à l'abrasion, à la corrosion de contact et à de nombreux produits chimiques. Il est de plus anti-adhérant et présente un faible coefficient de frottement en face de nombreux autres matériaux.

De même, le revêtement Slidcoat est un composite céramique et PTFE. Moins résistant à l'usure que le Carflon, il présente un excellent coefficient de frottement.

Liens externes

• Applimeca [1] société spécialisée dans les procédés de revêtements thermiques.
• Diamco [2] société spécialisée dans la fabrication de torches plasma.
• Métallisation Nord Industrie [3], société française spécialisée dans les traitements et revêtements de surface anti-usure.
• Vatis Produits anti-usure [4], société belge offrant une gamme complète de produits anti-abrasion.
• Vautid [5] société allemande spécialisée dans les procédés de rechargement de pièces mécaniques (stellites, fontes spéciales, etc.).
• REVALTEC [6] société spécialisée dans la déposition de nickel avec particules de carbure de silicium.

Implantation ionique

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

Dépôts en phase gazeuse (C.V.D.)

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. En revanche, 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 qui peut aller de 2 à 100 grâce à des revêtements de carbures et nitrures de titane, d'alumine, de borures, de carbure de tungstène, de 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).

Dépôts de carbone amorphe ou cristallisé

• La société suisse Bernex réalise par dépôt chimique en phase vapeur activée par plasma des dépôts de carbone amorphe, à basse température (200°C). Le dépôt est à la fois extrêmement dur et très élastique.
• Les revêtements minces ultra-durs Casidiam ® (Société APS) forment une couche de carbone amorphe dopé qui associe des amas graphitiques dans une matrice de type diamant. Le dépôt se fait sous-vide, à basse température (150 à 200°C), par la technique PECVD qui est une condensation de vapeurs chimiques assistée par plasma radiofréquence. On peut revêtir tous les métaux sauf l'or, le cuivre et ses alliages, le nickel brillant électrolytique, ainsi que d'autres matériaux comme le verre. La couche déposée est amorphe, très dure (25000 à 40000 MPa), son épaisseur uniforme va de 0,1 à 30 µm sur les substrats conducteurs, elle ne présente aucune porosité et forme une barrière contre les agressions extérieures ; sa couleur est gris anthracite ou irisée pour les faibles épaisseurs. Son coefficient de frottement est très faible contre de nombreux matériaux antagonistes. Cette couche est inerte chimiquement et résiste très bien aux acides, bases et solvants ; elle est aussi biocompatible et ostéo-intégrable sans réactions allergiques. Applications en mécanique pour les outils coupants, les roulements, les engrenages, les axes et paliers, les moteurs, en plasturgie pour le revêtement des moules, en électronique pour obtenir des dépôts à la fois bons isolants électriques et bons conducteurs de la chaleur, dans le domaine médical pour les prothèses, les instruments chirurgicaux, en optique à cause de la transparence à l'infrarouge. Propriétés diverses :
  • bonne conduction de la chaleur,
  • très bonne adhésion du dépôt sur les métaux et semi-conducteurs par formation d'une couche de carbure à l'interface, bonne adhérence sur le verre,
  • isolation électrique : résistivité 108 à 1013 ohm/cm, tension de claquage > 106 V/cm,
  • inertie chimique : résiste aux acides, bases, solvants,
  • insensible à l'irradiation,
  • dépôt étanche à l'hydrogène, excellentes propriétés anticorrosion,
  • transparence dans l'infrarouge.

Liens externes

• Société APS [7]
• Société Surcotec [8]

Revêtements physiques sous vide (P.V.D.)

Poinçons revêtus de nitrure de titane

Fraises revêtues de nitrure d'aluminium et de titane

PVD est l'acronyme de Physical Vapor Deposition, autrement dit dépôt physique en phase vapeur. Le procédé utilise l'évaporation sous vide du matériau à déposer ; souvent, les vapeurs sont 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. Éventuellement, 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.

L'évaporation sous vide assistée par plasma ou «ion plating» est pratiquée dans une enceinte où règne un vide de l'ordre de 10^-4 Pa. Le matériau à déposer (chrome, titane, ...) est vaporisé par un faisceau d'électrons ou par un arc électrique. Les pièces à revêtir sont portées à un potentiel cathodique de 1 à 3 kV par rapport à l'enceinte, tandis qu'on introduit un ou plusieurs gaz (azote, méthane, ...) qui vont intervenir dans les réactions. L'excitation des molécules dans le plasma permet de synthétiser à «basse» température (environ 500°C) des composés réfractaires comme le nitrure de titane TiN (jaune), le carbonitrure de titane TiCN (gris-violacé), le nitrure de chrome CrN, etc. La décharge est amorcée sous argon, avant le dépôt proprement dit, pour obtenir un «nettoyage ionique» favorable à l'accrochage du dépôt. Les épaisseurs des couches obtenues sont de l'ordre de 2 à 3 microns. Ce procédé est utilisé, entre autres, pour le revêtement des outils d'emboutissage, il en est question dans le chapitre consacré aux applications de la tribologie.

Revêtement quasicristallins

Voici quelques années, la cristallographie a été bouleversée par la découverte des quasi-cristaux, arrangements atomiques ne respectant pas les symétries habituelles en la matière. On commence seulement à exploiter les propriétés singulières de ces matériaux, entre autres quand ils prennent la forme de revêtements de surfaces.

Les méthodes de projection thermique et de PVD permettent de revêtir de nombreux matériaux : aluminium, cuivre, acier, acier inoxydable, céramiques, oxydes, silicium. L'accrochage sur le substrat et la compacité sont excellents.

Ces dépôts offrent une protection contre diverses formes d'usure ou d'autres agressions mécaniques, ils résistent à des températures élevées. Par rapport à des pièces non traitées, le coefficient de frottement est généralement fortement diminué. En outre, les propriétés anti-adhérence de ces matériaux les font apprécier dans les industries alimentaires.

Liens externes

• Société APS : [9]
• Société Surcotec : [10]

Déposition de poudre

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.

Pulvérisation cathodique magnétron (P.C.M.)

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.

Les pièces sont d'abord soigneusement nettoyées et dégraissées, puis introduites dans une enceinte où l'on crée un vide poussé (10^-6 torr). on introduit ensuite un courant d'argon et on soumet la pièce à un décapage ionique sous une tension de 3 500 V.

Une cible composée du métal à déposer M est portée à une tension négative suffisamment élevée pour que le champ électrique ainsi créé puisse ioniser l'atmosphère dans son voisinage. Les ions argon résultant de ce champ sont attirés par la cible, qu'ils frappent violemment, arrachant des atomes du métal M et les projetant dans l'environnement. Ces atomes vont alors se condenser sur la surface des objets placés en face de la cible. On obtient ainsi la « pulvérisation cathodique diode », qui est très lente : il faut entre 10 min et 1 h pour obtenir une épaisseur de dépôt de l'ordre du μm. En appliquant en plus un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique, on accroît de façon significative la densité du plasma qui se forme autour de la cible, la vitesse de déposition peut alors atteindre une valeur industriellement acceptable de l'ordre de 1 μm/min.

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. Il faut toutefois déposer auparavant une sous-couche d'adhérence d'alliage fer-molybdène de 2 μm, 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.

Les dépôts réalisés par PCM sont beaucoup moins fissurés et beaucoup plus compacts que ceux qui sont réalisés par voie galvanique mais ils sont aussi nettement moins durs. La présence dans l'enceinte de traces d'autres éléments comme l'oxygène, l'azote, le carbone, permet de corriger ce défaut et même d'atteindre des duretés bien plus élevées. On peut montrer par diffraction de rayons X que ces éléments ne se combinent toutefois pas avec le chrome, de sorte que leur action n'est pas facile à interpréter.

Les essais de frottement réalisés sur les couches obtenues par PCM montrent que la résistance à la fatigue des pièces ainsi traitées est bien supérieure à ce que l'on obtient par voie galvanique, et naturellement il n'y a plus aucune fragilisation par l'hydrogène.

Alliages de surface par refusion laser

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.

Revêtement par canon à détonation

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.

Notes diverses

• Les céramiques sont très sensibles aux défauts superficiels, d'où l'intérêt des traitements de surface qui sont un des moyens essentiels de les rendre fiables. On peut faire diffuser un ou plusieurs éléments d'apport, par exemple du cobalt, du cuivre, du magnésium, utiliser les dépôts chimiques (CVD) ou physiques en phase vapeur (PVD), diminuer les porosités par laser, implanter des ions. Le problème essentiel de la métallisation est l'accrochage des couches.

• Le dépôt simultané d'un film métallique de plomb avec du bisulfure de molybdène permet de fonctionner à sec pendant un certain temps sans gros dégâts, de graisser à vie des organes peu chargés, d'améliorer les états de surface.

Problèmes de pollution

Les traitements et surtout les revêtements de surfaces utilisent des bains très acides ou très basiques, presque toujours chargés de produits hautement toxiques comme les cyanures, les métaux lourds, ...

Les effluents doivent être traités, ce qui se révèle toujours difficile et coûteux. On essaie donc avant tout d'en réduire la production. La réglementation évolue sans cesse. Des produits comme le chrome hexavalent ou le cadmium vont être interdits, il faut leur trouver des remplaçants. Hélas, on ne fait souvent que déplacer le problème : par exemple, le zinc-nickel utilisé pour remplacer le chrome est un allergène puissant et son élimination est finalement plus difficile.

On pourrait théoriquement récupérer la totalité des métaux lourds contenus dans les déchets mais le plus souvent c'est l'enfouissement qui s'impose, pour des raisons économiques. La recherche de méthodes de dépollution plus efficaces et moins onéreuses prend une importance croissante.

En France, quelques entreprises de traitement de surfaces comme la société « L'Électrolyse » [11], installée depuis plus de 100 ans à Latresne, près de Bordeaux, ont décidé non seulement de traiter elles-mêmes leurs propres effluents, mais aussi d'offrir leurs services pour le traitement de ceux émis par d'autres industries. Le premier travail consiste à identifier et caractériser précisément les produits et à déterminer le meilleur traitement possible, ce qui suppose l'installation d'un laboratoire d'analyse puissamment équipé. Chaque année, de 6 à 8 000 tonnes de déchets passent à Latresne pour donner seulement 800 tonnes de déchets solides.

Voir aussi

• le chapitre sur les traitements anti-usure
• dans Wikipédia : Traitement de surface
• dans Wikipédia : Revêtement abradable, une catégorie de revêtement particuliers