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Traitements de surface : Les procédés sous vide ont le vent en poupe...

... MAIS, ON PEUT AUJOURD'HUI DEPOSER DES COUCHES OU MODIFIER LA SURFACE D'UN ALLIAGE PAR DE NOMBREUSES METHODES. 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 et les contraintes environnementales sont les deux moteurs de progrès dans le domaine. Et, côté performances les exigences sont toujours les mêmes : les utilisateurs demandent toujours plus de résistance aux efforts (couple dans un engrenage) et à chaud (matrices, moules).

Secundo, le couple métal/traitement devient essentiel car le traitement doit être pensé dès le choix de l'alliage.

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 déposer.

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 traitement soient compatibles avec les applications, d'où l'aspect essentiel de l'ingénierie des procédés.

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 semiconducteurs. Ici le principe est le même mais le but visé est la constitution d'une couche dure mécanique.

A 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.

Même discours 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 (cémentation, la nitruration et la carbonitruration) que les dépôts de couches dures (carbures, nitrures, oxydes etc).

Ici, pas de révolution. Les principes sont connus. Mais à l'intérieur d'une dénomination de traitement, l'application de conditions de traitements différentes va conduire à des résultats différents ; les progrès sont lents et il faut adapter les gammes aux besoins.

L'illustration la plus criante de cette évolution se trouve du côté des couches DLC (diamond like coating). 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 œuvre 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 cet année) et HEF a développé le procédé Certess DLC pour répondre à la demande industrielle au niveau mondial.  L'entreprisea créé début juin avec Del West Europe la société UB-TS Racing pour développer et proposer des traitements de surface pour pièces de voiture de compétition.

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 et PACVD chez HEF.

Concrètement si une étape dure 4 h et la plus courte 2 h, il faut deux enceintes ?4h? ce qui permet de saturer celle de 2 h et assurer ainsi une production continue. La réalité est un peu plus complexe. Le pilote industriel en cours est basé sur les cahiers des charges des grands donneurs d'ordre.

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 Etats Unis. Le métal passe de 250 à 1000 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 comme le montrent les travaux de l'Ecam sur une nuance X6Cr17 qui atteint 550 HV en surface (en machine industrielle).

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 St Etienne) avec de larges possibilités dans la nature des dépôts.
Face à cela, les procédés en voie humide n'ont pas dit leur dernier mot. Ceratronic a ainsi poussé très loin le traitement de surface de l'aluminium par oxydation avec micro-arcs. La pièce, immergée dans un bain aqueux, est soumise à un courant au profil bien étudié. Il provoque à l'interface liquide/pièce des microarcs qui génèrent une couche complexe et très dure d'alumine de 10 à 200 µm. Le contrôle du courant tout au long du traitement est essentiel ce qui distingue Ceratronic. Les premières pièces ainsi traitées sont des corps de vanne pour prélèvement d'air au niveau des réacteurs sur l'A 380, 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 aussi 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 ; son Tech 17 est ainsi un revêtement de carbure de tungstène HVOF complété par une densification céramique. Avec lui, des rouleaux dans des machines de zincage à chaud voient leur durée de service passer de 14 à 90 jours et plus !
L'imagination des chercheurs ouvre sans cesse de nouvelles portes. Le CNRS a ainsi développé un procédé de galvanoplastie déposant une couche de zinc/nickel dopée avec des particules de talc pour améliorer la friction. L'industrialisation est en cours.
Christian Guyard

 Nitruration avec... un accélérateur de particule !

« 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.



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