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Amélioration de la résistance a l’usure des surfaces métalliques

1 - Description phénoménologique de l’usure :
D’une façon générale, l’usure peut être considérée comme associant des mécanismes de rupture (cisaillement de micro-jonctions, fatigue…) à des phénomènes interactifs tels que des effets thermiques, des phénomènes volumiques (déformations plastiques, changement de phase, diffusion) et naturellement des effets de surface (réactions, adsorption, ségrégation…). De nombreuses classifications de mécanismes d’usure existent avec une approche phénoménologique plutôt que mécanistique. Il faut reconnaître que la détermination des mécanismes de base est difficile à cerner en raison de la complexité des phénomènes rencontrés en pratique. D’une manière générale, les modes de dégradation par usure peuvent être considérés comme la résultante de trois mécanismes de base incluant l’adhésion, l’abrasion et la délamination ou fissuration par fatigue avec, pour les cas où l’augmentation de température est importante, l’apparition de la diffusion. La corrosion peut également se manifester dans le cas de surfaces évoluant dans un milieu chimiquement agressif. Dans tous les cas, les modes de dégradation conduisent à l’émission de particules.

L’usure par adhésionsouvent décrite comme un processus sévère, est généralement le point de départ d’un mécanisme de dégradation de deux surfaces frottantes l’une sur l’autre. Il y a adhésion locale à l’échelle atomique entre les surfaces des deux antagonistes, création de ponts et cisaillement ou déplacement du matériau le moins résistant avec formation de débris d’usure ou transfert sur le matériau le plus dur. Ce mode de dégradation s’exprime par une loi de la forme : U = K1.P.S/s0 dans laquelle :

  • U est exprimée en élimination massique ou volumique de matière,
  • P est la charge appliquée,
  • S la surface de contact
  • s0 la limite d’élasticité du matériau sollicité.

U peut être réduit par :

  • une augmentation de la limite d’élasticité,
  • l’obtention de couches de combinaison de haute dureté et de grande stabilité thermique,
  • la diminution du coefficient de frottement par adjonction d’une couche lubrifiante.

L’usure par abrasion provient de la pénétration et du déplacement de matière lié à un corps étranger (troisième corps), plus dur que les surfaces antagonistes, qui peut être, soit une particule abrasive, soit un débris d’usure d’origine adhésive, soit une particule d’oxyde. Ce mode de dégradation peut s’exprimer par une loi de la forme U = K2.P.L/HVm dans laquelle :

  • U est exprimée en élimination massique ou volumique de matière,
  • P est la charge d’application,
  • L est la longueur de déplacement relatif entre les deux surfaces,
  • HV est la dureté de la surface sollicitée,
  • m son taux de consolidation (donné par la courbe rationnelle de traction s = k.em).

U peut être réduit par une augmentation du niveau de résistance mécanique et du taux de consolidation.

L’usure par délamination est souvent le résultat de trois facteurs qui contribuent à l’endommagement :

  • des facteurs mécaniques, en liaison avec la géométrie du contact, la courbure des surfaces, le taux de glissement, la pression de contact, la rugosité de surface et les conditions de lubrification ;
  • des facteurs physico-chimiques, avec la nature de l’atmosphère ou du lubrifiant dans le contact et la compatibilité des surfaces antagonistes ;
  • des facteurs métallurgiques, avec la structure des solides en contact et la stabilité de cette structure dans les conditions de chargement cyclique, la dureté superficielle, l’état inclusionnaire, la nature et la distribution des contraintes résiduelles.

Ce mode d’usure intervient notamment dans le cas de cyclage de contraintes avec glissement, présence de chocs, grandes vitesses de sollicitations et se trouve conditionné par les caractéristiques de ténacité des matériaux en contact. Il peut être réduit au niveau métallurgique par une augmentation du niveau de résistance et la présence de contraintes résiduelles de compression. Ces dernières permettent de réduire l’amplitude de variation des contraintes thermomécaniques, la plupart du temps en extension, susceptibles d’entraîner la formation de fissures superficielles.

L’usure par diffusion peut avoir lieu dans des conditions de travail sévères lorsque la température de surface s’élève, par exemple dans le cas de la coupe des métaux. La formation d’une couche limite entre l’outil de coupe et la pièce usinée facilite la diffusion des éléments métalliques et du carbone de l’outil vers le matériau usiné, ainsi que la rétrodiffusion des éléments de la pièce usinée vers l’outil. Ce phénomène sera bien entendu réduit par la présence d’une couche barrière aux mécanismes de diffusion.

 

2 - Traitements de surface susceptibles de réduire l’usure des surfaces métalliques :
D’une manière générale, les traitements de surface qui vont entraîner une réduction des phénomènes d’usure devront remplir une ou plusieurs des fonctions suivantes :

  • faciliter le glissement sur la surface antagoniste,
  • donner un haut niveau de dureté superficielle,
  • introduire un état de contraintes résiduelles de compression,
  • donner à la surface une grande stabilité thermique et/ou chimique,
  • constituer une barrière à la diffusion d’espèces réactives.

2-1 : Augmentation de la dureté superficielle et introduction de contraintes résiduelles de compression : On trouvera dans cette catégorie les filières de traitements de surface pour applications mécaniques avec :

  • des transformations structurales d’origine mécanique (grenaillage, galetage, choc laser) ou thermique (trempe superficielle par différents moyens d’apport d’énergie)
  • des traitements thermochimiques (cémentation, carbonitruration, nitruration)

Les traitements de transformation structurale par voie mécanique s’appliquent essentiellement sur aciers (inoxydables et spéciaux), alliages base nickel ou cobalt et alliages de titane. Les traitements de transformation structurale par voie thermique s’appliquent essentiellement sur les aciers peu alliés de construction mécanique (C45 par exemple) ou les fontes.

Les traitements thermochimiques s’appliquent essentiellement sur les aciers de construction mécanique, les aciers inoxydables, les fontes et, dans certains cas particuliers, les alliages de titane. Il est recherché dans tous les cas un gradient de propriétés mécaniques avec des composés définis en surface dans le cas de la nitruration des aciers de construction mécanique ou des fontes.

Dans cette catégorie de traitements de surface, ceux qui utilisent les plasmas froids sont les traitements thermochimiques par voie ionique, ils ont des applications spécifiques comme par exemple :

  • la nitruration des aciers inoxydables sans dégrader leur tenue à la corrosion,
  • la nitruration des alliages de titane sans dégrader leur tenue à la fatigue,
  • - la cémentation des aciers inoxydables ou des aciers à outils pour réaliser un fort gradient de concentration en carbures sans apporter d’excès de fragilité. La cémentation par bombardement ionique se fait sans chute superficielle de dureté attribuée en cémentation classique à un phénomène d’oxydation interne.

2-2 : Amélioration du glissement sur la surface antagoniste : On trouvera dans cette catégorie la filière de réalisation de revêtements pour applications tribologiques utilisant la voie liquide ou la voie gazeuse. Ces revêtements ont essentiellement pour but de réduire le coefficient de frottement et de se substituer éventuellement à l’utilisation d’un lubrifiant liquide ou solide pour satisfaire aux contraintes environnementales. Ils peuvent être caractérisés ou non par un haut niveau de dureté.

Dans la filière qui utilise la voie gazeuse, les techniques plasmas froids sont essentiellement les techniques PVD et PACVD. Parmi les revêtements réalisés pour assurer une lubrification solide, on peut citer le DLC, les revêtements à base de MoSx ou AlSn déposés seuls ou sur d’autres couches pour avoir en plus une bonne résistance mécanique (TiN, TiCN, TiAlN, CrN ...).

Dans cette catégorie peuvent être classés les traitements de surface par plasmas froids de haute énergie tels que l’implantation ionique qui va apporter sur une épaisseur de l’ordre de la centaine de nanomètres une modification structurale avec amorphisation des couches d’extrême surface susceptible d’améliorer le comportement du matériau au frottement et à l’usure par adhésion.

2-3 : Amélioration de la stabilité thermique ou chimique de la surface, barrière de diffusion : On va trouver dans cette catégorie la filière de réalisation de revêtements de haute dureté par voie liquide ou gazeuse. Ces revêtements ont essentiellement pour but de réduire les modes d’usure par abrasion ou adhésion, dans des conditions sévères de température (stabilité thermique) ou d’agressivité de milieux (stabilité chimique vis-à-vis de la corrosion en milieu aqueux ou gazeux).

Dans la filière qui utilise la voie gazeuse, les techniques plasmas froids sont essentiellement les techniques PVD et PACVD. Ces dernières se développent actuellement en substitution aux procédés utilisant la voie liquide (exemple : le chromage) car elles satisfont aux exigences environnementales. Parmi les revêtements réalisés, on peut citer :

  • CrN, TiN, pour leur résistance à la corrosion en milieu aqueux,
  • TiAlN, pour sa résistance à l’oxydation,
  • TiCN, WC+C, pour leur résistance à l’abrasion,
  • TiN, pour sa résistance à la diffusion des espèces réactives,
  • DLC, pour sa grande stabilité chimique.

Pour augmenter les épaisseurs de couches jusqu’à une dizaine de µm sans risque d’élévation du taux de contraintes résiduelles de compression, il est possible de réaliser des revêtements multicouchesmicro ou nanométriques (nanocouches d’épaisseur individuelle inférieure à 8 nm) avec association éventuelle de plusieurs natures de couches pour assurer une multifonctionnalité.

Il est possible de réaliser ces dépôts sur un substrat qui a subi une première phase de traitement thermochimique (nitruration) et ainsi de réaliser des traitements de surface multifonctionnels (traitements duplex) pour satisfaire à la fois à l’amélioration des propriétés tribologiques et de tenue à la fatigue des surfaces. Les techniques plasmas permettent de réaliser ces traitements multifonctionnels en une seule séquence sans risque de pollution superficielle après la première séquence.

 
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