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Les procédés sous vide ont le vent en poupe...

Christian Guyard

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- ... Mais on peut aujourd'hui déposer des couches ou modifier la surface d'un alliage par de nombreuses méthodes. Et la voie humide n'a pas dit son dernier mot.

Que se passe-t-il du côté du traitement de surface et, plus généralement, de la modification des surfaces ? Primo, l'accroissement des performances des pièces ainsi que les contraintes environnementales sont les deux moteurs de progrès dans le domaine. Secundo, le couple métal/traitement devient essentiel car le traitement doit être pensé dès le choix de l'alliage (voir encadré). Tertio : la performance en usure s'obtient par le dépôt de couches dures plus ou moins épaisses, et ces fameux dépôts ne cessent d'évoluer à la fois dans leur composition et dans la manière de les appliquer.

Tout cela se traduit par des innovations tous azimuts. Avec un bémol : pour que ces innovations passent effectivement dans le milieu industriel, il faut que les prix de traitements soient compatibles avec les applications, d'où l'aspect essentiel de l'ingénierie des procédés.

Adapter les gammes aux besoins

Dans ce contexte, le traitement le plus original, en cours d'industrialisation, est celui développé par la jeune société Quertech. Elle utilise... un accélérateur de particules pour faire de la nitruration d'alliages d'aluminium. La microélectronique utilise l'implantation ionique pour doper les semi-conducteurs. Ici le principe est le même mais le but visé est la constitution d'une couche dure mécanique (voir encadré ci-dessous).

À part cela, ce sont incontestablement les traitements sous vide qui ont le vent en poupe. « Pour les revêtements, nous nous sommes focalisés sur le traitement sous vide », déclare ainsi Patrick Jacquot directeur du développement technologique de Bodycote. Le discours est le même chez HEF : « Nous privilégions les dépôts sous vide dans la mécanique », indique Philippe Maurin-Perrier, président de la R&D. Les applications concernent aussi bien les traitements thermochimiques (la cémentation, la nitruration et la carbonitruration) que les dépôts de couches dures. Les principes sont connus. Mais, à l'intérieur d'une dénomination de traitement, l'application de conditions différentes va conduire à des résultats différents ; il faut adapter les gammes aux besoins.

L'illustration la plus criante de cette évolution se trouve du côté des couches DLC (Diamond-like carbon). Le très fort engouement pour cette technique a été suivi de déceptions : les utilisateurs étaient surpris par les variations de propriétés d'un DLC à l'autre. Et pour cause. Selon le procédé mis en oeuvre, on obtient tout, depuis des couches "molles" jusqu'à du "très dur" (50 GPa). Balzers a beaucoup travaillé sur le sujet avec son Balinit DLC. IonBond propose aussi des DLC (Tetrabond lancé cette année) et HEF a développé le procédé Certess DLC pour répondre à la demande industrielle au niveau mondial. L'entreprise a créé, début juin, avec Del West Europe, la société UB-TS Racing pour développer et proposer des traitements de surface pour des pièces de voitures de compétition.

Assurer qualité et reproductibilité

Bref, 2005 est l'année de démarrage des DLC. Et, en l'occurrence, la préoccupation est d'assurer la qualité et la reproductibilité du dépôt aussi bien en petite série que sur des machines de production continue. D'où les efforts d'industrialisation. « Le traitement s'effectue en plusieurs phases successives. Le facteur limitant est l'étape la plus longue qu'il faut rendre compatible avec l'étape la plus courte, ce que nous étudions au travers du projet Tiag dont le but est de réduire les coûts des dépôts PVD », explique Hervé Delorme, chargé d'affaires pour les technologies PVD (Physical vapour deposition) et PACVD (Plasma assisted chemical vapour deposition) chez HEF. Un pilote industriel en cours est basé sur les cahiers des charges des grands donneurs d'ordres.

Autre tendance : la demande s'accroît en revêtements multifonctionnels offrant à la fois une durée de vie plus élevée, la tenue en corrosion et l'aspect final. Bodycote et son Nitrotec (nitruration plus oxydation et imprégnation par un liquide), apparu il y a trois ans, répond à cette attente et élargit ses applications.

Innovation encore, du côté des aciers Inox cette fois. Ils ont un point faible, leur dureté insuffisante et la difficulté à réaliser un traitement de durcissement qui n'altère pas leur caractère inoxydable. Bodycote semble avoir résolu le problème avec son procédé Kolsterising (du nom du chercheur qui l'a développé). Un procédé top secret pratiqué sur trois sites seulement aux Pays-Bas, en France et aux États-Unis. Le métal passe d'une dureté de 250 à 1 000 HV et l'on peut traiter les trous. Principales applications : en agroalimentaire et en production pharmaceutique, horlogerie et maintenant pétrochimie.

Enfin, les Inox ferritiques pourraient aussi bénéficier de traitement de surface durcissant par cémentation basse pression, ainsi que le montrent les travaux de l'Ecam sur une nuance X6Cr17 qui atteint 550 HV en surface (en machine industrielle).

Voie humide, pâte liquide, galvanoplastie...

Il n'y en a pas que pour les procédés sous vide. Les techniques de projection se développent elles aussi. Le HVOF (High velocity oxide fuel) notamment. Et même le HPHVOF faisant appel à la haute pression pour produire des revêtements sans porosité. Un procédé qui demande toutefois une bonne maîtrise de la rectification des couches déposées. D'autres procédés comme la projection de poudres avec fusion laser, donc très ponctuels, sont également à suivre (travaux à l'Enise - Saint-Étienne) avec de larges possibilités dans la nature des dépôts.

Face à cela, les procédés en voie humide n'ont pas dit leur dernier mot. La société Ceratronic a ainsi poussé très loin le traitement de surface de l'aluminium par oxydation avec micro-arcs. Les premières pièces ainsi traitées sont des corps de vanne pour prélèvement d'air au niveau des réacteurs sur l'A380, réalisés par GITC, licencié de Ceratronic. Outre l'aluminium, le magnésium et le titane, une dizaine d'autres métaux, dits "valve", sont traitables ainsi.

Il existe également des traitements par dépôt d'une pâte liquide, transformée ensuite par cuisson et qui conduit à des couches céramiques. Ce traitement accroît la dureté et colmate les porosités résultant d'un premier traitement. C'est l'objet de la gamme K-Tech de Bodycote.

L'ESSENTIEL

- Le procédé de nitruration s'étend désormais aux alliages d'aluminium. - Les revêtements en carbone DLC (diamond-like carbon) sont parvenus à gagner en reproductibilité. - Des traitements réussissent à augmenter la dureté des aciers Inox sans pour autant altérer leur résistance à l'oxydation.

NITRURATION AVEC... UN ACCÉLÉRATEUR DE PARTICULES !

- « L'intérêt principal du procédé est que l'on garde totalement la structure métallurgique car il travaille autour de 100 °C, température inférieure à celle des transformations structurales. Autre avantage, il n'y a pas de modification des cotes, on travaille sur pièce finie, un piston par exemple », explique Frédéric Guernalec, directeur général de Quertech. - Le procédé ? Un faisceau d'ions de 1 cm2 de section balaye la surface à traiter. La surface doit être visible, éventuellement en inclinant la pièce (pas de géométrie compliquée) mais on ne traite que là où c'est nécessaire. - Ce traitement génère une couche de nitrure d'aluminium anticorrosion avec un coefficient de frottement faible (0,18). La pièce traitée dans une enceinte sous vide doit être propre mais le faisceau d'ions assure, en début d'opération, un décapage et un certain nivellement de surface. Le procédé, forcément lent (balayage) et unitaire (un seul faisceau), s'appliquera à des pièces à haute valeur ajoutée.

Pour l'automobile

> HEF privilégie les dépôts sous vide dans la mécanique. Il développe et propose des traitements de surface pour des pièces de moteurs d'automobiles comme ci-dessous (axe de piston, arbre à cames, soupapes, poussoirs, segments...).

RAISONNER EN TERMES DE COUPLE SUBSTRAT/REVÊTEMENT

- Encore trop de revêtements sont préconisés sans fondement suffisant. « Pour ce qui est des pièces mécaniques fortement sollicitées, il est indispensable de penser au couple substrat/revêtement et de considérer à la fois le champ de contraintes (les forces qui se développent dans le matériau) et le champ de déformation (la déformation locale au point de contact) », explique Yves Berthier responsable de l'équipe tribologie et mécanique des interfaces au Laboratoire de mécanique des contacts et des solides - CNRS/Insa Lyon. - Il existe aujourd'hui des logiciels pour calculer cela et définir au mieux le couple matériau massif, qui doit transmettre les efforts, et surface, qui se déforme tout en résistant. « On peut voir des ruptures dans le substrat », insiste Yves Berthier, ou encore des décollements de revêtements. À cela s'ajoutent les problèmes de contraintes thermiques différentielles et éventuellement de corrosion. Ce qui explique qu'une fois les calculs réalisés on passe aux essais réels.

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