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BEKAERT MET DU "DIAMANT" DANS VOTRE MOTEUR

Thierry Mahé

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- Dans son usine de Haute-Savoie, l'entreprise s'est dotée d'un outil industriel pour réaliser en grand volume le traitement DLC - diamond like coating - jusque-là réservé à la Formule 1.

Il est exceptionnel que des procédés propres à la Formule 1 "descendent" dans la voiture de Monsieur Tout-le-Monde. Question de coût, bien sûr, et aussi de volume de production. C'est pourtant ce superbe transfert de technologie que vient de réussir le groupe belge Bekaert. Son usine de Bons-en-Chablais (Haute-Savoie) s'est dotée d'un outil industriel capable de traiter en grand volume les pièces d'automobiles par un traitement de surface très particulier qu'est le revêtement DLC (Diamond Like Coating), ou en français CDA (carbone dur amorphe). Le procédé "maison", dûment breveté en 2004, a pour nom de marque Dylyn Plus. C'est une adaptation au fort volume d'un premier procédé mis au point par l'industriel, DLC Calvidur, pour les besoins de l'automobile de course.

Le plus bas coefficient de frottement

Bekaert est en effet leader, depuis une décennie, du revêtement DLC pour la compétition. Il fournit pratiquement toutes les écuries de F 1, mais aussi le Nascar, l'IndyCar et le MotoGP. Un constructeur allemand - on peut penser qu'il s'agit de BMW pour ses moteurs V8 de nouvelle génération - étrenne actuellement le procédé Dylyn Plus à Bons-en-Chablais qui a déjà traité avec succès environ 500 000 pièces. Bekaert est l'un des très rares spécialistes européens de ce revêtement carbone dur, et affirme que sa technologie offre le plus bas coefficient de frottement du marché.

Ce qui est recherché dans ce traitement, c'est avant tout l'obtention d'un état de surface parfait, qui "n'accroche pas". Une surface traitée DLC présente en effet des qualités autolubrifiantes. C'est pourquoi il est en priorité destiné à toutes les pièces d'automobiles dont la fonctionnalité est de glisser sur d'autres pièces ou de se mouvoir autour d'un axe. Dans cette catégorie, on va trouver tous les composants constitutifs de la distribution : l'arbre à cames, bien sûr, le train de soupapes, mais aussi les culbuteurs à rouleau et autres poussoirs. Limiter les frottements, c'est, évidemment, augmenter l'efficacité du moteur en réduisant les pertes mécaniques. Ainsi, les responsables de Bekaert avancent une réduction de 15 % de perte par frottement dans la plage de régimes caractéristiques d'un parcours urbain. C'est considérable puisque la distribution est responsable de 30 à 40 % des pertes par frottement sur un véhicule.

Le but est aussi d'augmenter la durée de vie de ces pièces très sollicitées. Le traitement carbone amorphe dur augmente la résistance à l'usure, en fait la dureté. On conçoit aisément que cette technologie s'inscrive intimement dans l'ambition des motoristes de produire des moteurs à consommation et à taux d'émission réduits. Et, qui conservent ces caractéristques avec le temps.

Ce traitement, très sophistiqué, offre également une excellente protection à la corrosion, mais il représente bien sûr un surcoût. Il présente toutefois cet avantage de ne pas remettre en cause l'usage d'acier traditionnel, et donc de ne pas chambouler les habitudes ni l'outil industriel des constructeurs. Mieux, comme les couches de carbone sont extrêmement minces (autour de 5 microns, avec Dylyn), elles ne modifient pas les caractéristiques dimensionnelles du composant. Et ne supposent donc aucune modification du procédé, côté motoriste. Par ailleurs, la couche DLC offre une bonne conductibilité thermique et donc évacue efficacement la chaleur.

Une structure très dure et parfaitement stable

Qu'en est-il du surcoût induit par le traitement carbone dur ? Les responsables de Bekaert le minimisent : « Sur de forts volumes, il pourra être inférieur à un euro par pièce. »

Le procédé carbone dur amorphe consiste à déposer sur l'acier une succession de couches très fines (jusqu'à vingt successives) d'un carbone dont la structure atomique est mixte entre celle du diamant (structure tridimensionnelle tétraédrique dit sp3) et celle du graphite (empilement de structures planes trigonales, dite sp2). La résultante (sp2 + sp3) présente une structure amorphe comparable à celle du verre, très dure, très peu poreuse et chimiquement très stable. Bekaert, dans son procédé Dylyn Plus, incorpore à ce mélange d'autres atomes (hydrogène, silicium, oxygène) qui ont pour effet d'améliorer les performances du matériau aux hautes températures, d'autoriser des couches plus minces, de réduire encore la friction. Ainsi, là où la dureté théorique du diamant se chiffre en unité HV à 10 000 (8 000 en pratique), le carbone dur amorphe présente une dureté de 3 000... contre 500 pour l'acier. Dans le même temps, le coefficient de friction de la surface diminue de 0,2 à 0,05. La déposition (de type CVD, pour vapeur chimique) est effectuée dans un four sous vide poussé, contenant un générateur plasma.

Ce n'est pas rien de passer d'un atelier artisanal à la production en série. À cette fin, Bekaert a réalisé l'agrandissement de son usine de Bons-en-Chablais, qui est par ailleurs certifiée ISO 9001. Le gros de l'investissement porte sur l'achat de trois fours à plasma sous vide (six, à terme). Des fours de grand volume, capables de traiter des pièces lourdes type arbre à cames, puisqu'ils disposent de 3 m3 fonctionnels. Il est également envisagé que Bekaert puisse délocaliser une unité de traitement dans les murs d'un constructeur d'automobiles.

Vers une production à grande échelle

Le site de Bons-en-Chablais a déjà produit 500 000 pièces revêtues et est, avec Limoges, le pôle d'expertise français dans le domaine. Michael De Maegt, directeur général de l'activité DLC chez Bekaert se félicite : « Nous n'avons à ce jour enregistré aucun retour de pièces défectueuses. » Une qualité totale due à la fiabilité du procédé. Mais aussi à l'excellence du laboratoire de contrôle qualité dont s'est doté l'industriel. Le procédé DLC suppose en effet des pièces d'une rigoureuse propreté. Aussi, l'usine s'est-elle équipée d'une ligne de nettoyage automatique et d'une salle blanche de classe 10 000. Vingt personnes se consacrent aujourd'hui, à Bons-en-Chablais, au procédé Dylyn.

Emmanuel Hidalgo, directeur de l'usine de Bons-en-Chablais explique : « Cette installation va nous permettre une production à grande échelle, bien au-delà du marché des véhicules haut de gamme. Un million, dix millions de pièces, cela ne nous fait pas peur... et ce type de cadence pourrait bien arriver dès 2007. » Par exemple, les deux spécialistes estiment que le traitement des axes de piston, aujourd'hui réalisé dans le sport automobile, peut conquérir la grande série d'ici deux à trois ans.

Michael De Maegt précise : « Dans un avenir proche, le procédé DLC sera "pensé" dès la conception des pièces. Il impactera, je pense, fortement le design. Du fait, par exemple, qu'il va induire des composants plus petits et plus légers, donc d'une moindre inertie au mouvement. » Emmanuel Hidalgo renchérit : « Certaines pièces, comme des bagues de bronze sur l'axe du piston, pourraient même être alors supprimées. »

Dans une écurie de Formule 1, les ingénieurs ont calculé que l'usage intensif du "carbone dur amorphe" a permis de réduire de 0,5 litre la quantité d'huile embarquée : moins de frottement, partant moins de lubrification. Un argument de peu de poids dans une automobile de tourisme. « Mais, ajoute Emmanuel Hidalgo, la réduction du frottement autorise de mouvoir plus violemment les cames. Ce qui va pleinement dans le sens des nouveaux moteurs diesel, à très fort taux de compression. »

L'ENTREPRISE

- 2,7 millions d'euros de chiffre d'affaires - 16 400 personnes - 40 % du chiffre d'affaires provient de l'industrie automobile. - Elle fabrique des produits tréfilés, des matériaux avancés et des revêtements, en particulier le procédé DLC. - Le DLC est mis en oeuvre à Bons-en-Chablais (Haute-Savoie), à Zulte (Belgique) et à New York (États-Unis).

LE PROCÉDÉ DLC

consiste à déposer sur l'acier une succession de couches très fines d'un carbone dont la structure atomique est mixte entre celle du diamant et celle du graphite. - Il accroît considérablement la dureté des pièces. - Il diminue fortement les frottements (anticollage). - Il protège de la corrosion. - Il n'affecte pratiquement pas les dimensions de la pièce.

UN PROCÉDÉ INDUSTRIEL

- Le procédé Dylin met à profit la technologie PACVD (ou dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma). C'est un revêtement de type a-C:H (carbone + hydrogène). L'opération de dépôt s'effectue dans des fours sous vide et à une température inférieure à 180 °C, ce qui est important pour ne pas déformer les pièces. - Il s'applique au traitement de surface de l'acier ou de l'aluminium, mais aussi de matériaux isolants. - Grand atout : c'est un procédé industriel très bien contrôlé, donc se prêtant à l'automatisation et au fort volume. De fait, la dispersion autour de l'épaisseur de revêtement typique est seulement de 15 %.

PARTOUT OÙ ÇA FROTTE...

- Le procédé DLC concerne essentiellement les pièces du système de distribution : arbres à cames, trains de soupapes, pignonnerie, linguets, culbuteurs, culbuteurs à rouleau et autres poussoirs. Et bien sûr pistons et segments. Ou encore les systèmes d'injection. - Il a aussi été appliqué aux tubes d'amortisseurs de motos de compétition. De façon générale, toutes les pièces qui "frottent", en l'absence de lubrification ou en moindre lubrification (bas régime moteur). - La réduction du bruit plaide aussi en faveur du DLC, comme pour des loquets de portes sans graisse. - Sont également concernées les pièces de moule de plasturgie ou des composants mobiles de machines textiles. - Le procédé DLC réalise un excellent compromis entre le dépôt de Téflon (très faible énergie de surface) ou des traitements de surface type carbure ou nitrure de titane (surface très dure).

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