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Les technologies clés
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Revêtements de surface multifonctions
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Fiche Technologie-clé n : 92
VERSION 3
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Définitions
un traitement
"multifonction" rassemble au moins deux fonctions différentes, et
consiste à superposer différents traitements, à utiliser
des dépôts composites ou "dispersoïdes" (matrice
métallique renfermant des particules dures et lubrifiantes), à
mettre en oeuvre des traitements thermochimiques de diffusion avec oxydation
ultérieure éventuelle, etc.
Les procédés de traitement de surface se
répartissent en 5 grandes classes de procédés :
revêtements par voie humide ; revêtements par voie sèche ;
traitements de conversion chimique ou électrolytique ; traitements de
diffusion thermochimique ; traitements superficiels par transformation
structurale (mécanique).
Techniques mises en oeuvre
pour les
aciers, superposition d'un revêtement galvanique à un traitement
thermochimique préalable. Mais aussi : dépôts composites,
appelés aussi "dispersoïdes", dans lesquels une matrice
métallique (souvent en nickel) renferme des particules dures (carbures,
nitrures, oxydes) et/ou des particules lubrifiantes (lubrifiants solides,
polymères).
Dans les traitements thermochimiques de diffusion,
largement utilisés pour améliorer la résistance à
l'usure et à la fatigue, une oxydation ultérieure permet
d'accroître significativement la tenue à la corrosion humide.
L'amélioration du frottement d'une surface anti-usure
est réalisée par l'association de revêtements
auto-lubrifiants et de traitements de diffusion ou de conversion. De
même, la résistance à l'usure et à la fatigue
s'obtient par des traitements de diffusion associés à des
revêtements durs par dépôt PVD et CVD, trempe superficielle
ou grenaillage de précontrainte. Les fonctions de résistance
à la fatigue, à la corrosion et au frottement se retrouvent en
même temps grâce à la diffusion d'azote ou de carbone,
suivie d'une passivation et d'une imprégnation.
Principaux procédés de base :
- voie humide : électrolyse,
électrophorèse, dépôt chimique, peintures
- voie sèche : placage, dépôt par
projection thermique, projection plasma, rechargement, dépôt
chimique en phase vapeur (CVD), dépôt physique en phase vapeur
(PVD : évaporation, placage ionique, pulvérisation cathodique),
laser, faisceau d'électrons, induction
- le soudage peut être utilisé en tant que
procédé de revêtement de surface (soudage manuel à
l'arc, oxyacétylénique, TIG, MIG, sous flux et au plasma ;
projection à la flamme avec refusion).
Contexte concurrentiel et économique
en matière de protection des surfaces, on
demande de plus en plus souvent aux pièces de résister à
des sollicitations impliquant simultanément plusieurs
phénomènes (frottement, abrasion, corrosion, chocs...). La
tendance est donc, d'une part, d'utiliser des solutions faisant intervenir
plusieurs technologies de traitement de surface et, d'autre part, de recourir
à des dépôts composites (ou alliages). Les traitements de
surface composites ou multifonctionnels associent plusieurs traitements,
permettant d'associer des propriétés parfois antagonistes. De
plus, ils permettent au donneur d'ordre de ne s'adresser qu'à un seul
sous-traitant, donc de réduire les délais. Des recherches
considérables sont en cours dans le monde pour tous les secteurs de
l'industrie.
Fonctions remplies :
l'anti-usure et
l'anti-corrosion sont les premières fonctions que l'on souhaite
satisfaire grâce au traitement de surface. Mais les
procédés deviennent aujourd'hui multifonctionnels afin d'assurer
simultanément cette propriété et la tenue au grippage, une
protection thermique, des propriétés tribologiques, tactiles,
etc. On attend des traitements de surface : réduction des pressions de
contact, amélioration de la lubrification, abaissement du coefficient de
frottement, tenue à l'usure par adhésion,
homogénéisation des couches superficielles, valorisation des
contraintes résiduelles de compression, augmentation de la dureté
superficielle pour la tenue à l'usure par abrasion-érosion,
résistance à l'oxydation, piégeage des particules dues
à la rugosité, lutte contre le bruit et les vibrations,
protection thermique, propriétés électriques et/ou
électromagnétiques.
Technologies concurrentes :
élaboration de nouveaux matériaux et/ou alliages tels que les
composites à matrice métallique ou non métallique dont la
tenue à l'usure est renforcée par l'inclusion de particules dures.
Evolutions technologiques :
certains
fournisseurs développent des systèmes experts susceptibles de les
aider à concevoir des procédés multifonctions. Par
ailleurs, la tendance est à l'abaissement des températures de
traitement. On s'oriente donc vers les dépôts sous vide pour
éviter les traitements à haute température (> 900 C
pour la cémentation ou la carbonitruration) qui génèrent
des déformations dans des pièces mécaniques conçues
de plus en légères. Entre autres, la pulvérisation
cathodique consiste en des dépôts sous vide le plus souvent
à base de nitrures (ex. nitrure de chrome) qui donnent aux pièces
une grande dureté. Les faibles températures mises en jeu (env.
250 C) permettent de couvrir la quasi-totalité des applications
mécaniques, et la compatibilité avec un grand nombre de
matériaux est assurée, notamment avec ceux qui ne sont jamais
traités sous vide (produits ferreux, fontes, alliages légers,
cuivreux, etc.).
Dans les revêtements multifonctions, la France dispose
de brevets. Exemple : la gamme de techniques ARCOR brevetée par HEF en
collaboration avec le CETIM. Cette gamme est basée sur trois
technologies : une diffusion thermochimique de nitrosulfuration en bain de sels
fondus, une passivation (oxydation par conversion) et une dispersion organique
(enduction polymérique) dans les couches de surface. Par ailleurs, une
technique de projection plasma en une étape permet de réaliser
des revêtements composites.
Programmes de recherche :
un projet
européen Brite-Euram dans le domaine aéronautique "Development of
Advanced Surface Engineering Techniques for Future Aerospace Transmissions"
d'une durée de 3,5 ans (01/02/96 au 31/07/99) implique 12 partenaires
industriels et universitaires français, britanniques et allemands, dont
Aérospatiale, Hispano-Suiza, ZF Luftfahrttechnik GmbH, Aubert et Duval,
RHP Bearings Ltd., et Eurocopter France.
Un projet européen COST baptisé "Plasma and ion
based surface engineering (PISE) d'une durée de 3 ans regroupe 8
partenaires universitaires et centres de recherche de France, Belgique,
Danemark, Italie, Allemagne et Espagne.
Le Ministère de l'Industrie et l'Anvar ont lancé
un appel à propositions "Traitements et revêtements de surface" en
1993 et ont reçu plusieurs dossiers sur des traitements
multifonctions.
Matériaux