Technologie/Matériaux/Traitements de surface
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■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ Aspects généraux ■ Éléments de machines | ||||||
Introduction
modifierLes traitements de surface sont des traitements ayant pour but de modifier les propriétés physiques et/ou chimiques des matériaux. Un traitement de surface ajoute un coût et des contraintes supplémentaires :
- coût de main d'œuvre, de transport en cas de sous-traitance ;
- coût de consommables, de l'énergie ;
- problème environnementaux et sur la santé liés aux effluents : vapeurs, bains utilisés.
L'intérêt d'un traitement de surface est de :
- permettre d'utiliser un matériau moins cher, en améliorant localement ses propriétés ;
- allier les propriétés propres du matériau (propriétés à cœur) et les propriétés de surface.
Le traitement de surface est en général le dernier traitement de la pièce avant livraison : toute opération subséquente risquerait de dégrader le traitement.
En conception, il faut prendre en compte le traitement de surface dès le départ :
- il fait partie du choix du matériau ;
- il peut imposer des contraintes sur la forme, en général éviter les angles vifs et les recoins ;
- il faut prendre en compte la surépaisseur engendrée dans la dimension des pièces.
Vocabulaire
modifierNous allons tout d'abord préciser quelques points de vocabulaire pouvant prêter à confusion.
- Cémentation
- Dans le sens premier, la cémentation est l'opération consistant à faire pénétrer du carbone dans la surface d'un acier, à le faire diffuser. Le terme a été étendu à la pénétration de tout élément chimique, sans qu'il y ait de réaction chimique en surface avec le métal.
- Chromatation, chromisation, chromage
- Il existe plusieurs traitements de surface faisant intervenir le chrome :
- le chromage consiste à déposer une couche de chrome sur le métal ;
- la chromisation consiste à faire diffuser du chrome sous la surface (cémentation au chrome) ;
- la chromatation consiste à créer des chromates par réaction chimique entre le métal et le bain de traitement (traitement de conversion).
Classement par procédé
modifier- Modification mécanique de la surface :
- écrouissage (écrasement de la matière) :
- galetage,
- grenaillage,
- moletage,
- polissage (enlèvement de matière) :
- polissage mécanique (abrasion), bouchonnage ;
- polissage électrolytique (dissolution acide assistée par un passage de courant électrique) ;
- écrouissage (écrasement de la matière) :
- traitements thermiques :
- trempe superficielle ;
- traitement thermochimique (diffusion d'atomes activée thermiquement), en phase gazeuse, liquide ou par implantation ionique :
- cémentation (carbone),
- nitruration (azote),
- carbonitruration (carbone et azote),
- sulfonitruration (soufre et azote),
- chromisation (chrome) ;
- revêtement :
- dépôts électrolytique (passage de courant électrique dans une solution ionique) :
- argenture (argent),
- cadmiage (cadmium),
- chromage (chrome),
- cuivrage (cuivre),
- dorure (or),
- étamage (étain),
- galvanisation électrolytique, zingage (zinc),
- nickelage (nickel),
- bain de métal liquide :
- galvanisation à chaud (zinc),
- peinture (formation d'une couche de polymère),
- revêtement thermoplastique (plaquage de polymère),
- dépôts électrolytique (passage de courant électrique dans une solution ionique) :
- traitement de conversion (réaction chimique entre le métal et le bain de traitement) :
- anodisation (oxygène),
- chromatation (chrome),
- phosphatation (phosphore).
Classement par fonctions
modifierNous classons ici les traitements par fonction, dans l'optique d'une approche conception. Un traitement peut donc se retrouver dans plusieurs catégories à la fois ; on n'indique alors pas tous les domaines d'application à chaque fois, mais uniquement les domaines concernés par la fonction décrite.
Modifier les propriétés mécaniques
modifierLe but des ces traitements est d'améliorer les propriétés de contact.
- Pour plus de détails voir : Tribologie/Traitements anti-usure et Tribologie/Revêtements anti-usure.
Durcir
modifierLes traitements de durcissement sont utiles pour les pièces soumises au frottement ou au roulement — résistance l'usure —, au matage et aux chocs — évite la déformation —, lorsqu'il n'est pas nécessaire d'avoir une bonne résistance à cœur — la pièce n'est pas soumise à une sollicitation globale importante (traction, compression, cisaillement, torsion, flexion). Le durcissement superficiel s'accompagne en général d'une fragilité ; on peut donc associer une bonne résilience à cœur (déformation sans rupture en cas d'accident) et une bonne dureté superficielle.
Dans le cas des sollicitations en flexion et en torsion, les contraintes sont maximales à la surface de la pièce. Un traitement de surface peut donc améliorer les propriétés globales d'une pièce sollicitée « dans la masse ».
| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté | Domaines d'application | |
|---|---|---|---|---|---|
| Vickers HV |
Rockwell HR | ||||
| Anodisation | aluminium et alliages | 0,01 à 0,12 mm | 50 à 70 | pièces d'usure | |
| Carbonitruration | aciers de cémentation et de nitruration | 0,05 à 0,5 mm | articulations, arbres | ||
| Cémentation + trempe superficielle | aciers de cémentation (non alliés à faible teneur en carbone) | 0,5 à 1 mm | 550 | pièces d'usure, arbre à cames | |
| Chromisation | aciers à faible teneur en carbone | 25 à 500 μm | 1 000 à 1 600 | limes, filières, fraises dentaires | |
| Nitruration | aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) | 0,1 à 0,5 mm | 600 à 1 200 | pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe | |
| Trempe superficielle | aciers de cémentation (non alliés à forte teneur en carbone) | 0,5 à 5 mm | variable | dents d'engrenage, bancs de machine-outil | |
Amollir
modifierOn peut vouloir au contraire avoir une surface plus souple, plus molle, par exemple pour éviter de blesser.
| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté | Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Dépôt PVC | alliages ferreux, aluminium et alliages, verres | 200 à 300 μm | fils |
Résister à la fatigue
modifierDans le cas d'une rupture en fatigue, la fissure commence en général en surface. Par ailleurs, la sollicitation en fatigue se fait souvent par flexion ou torsion, ce qui nous ramène à la remarque de la section précédente. Ceci explique qu'un traitement de surface peut améliorer la tenue en fatigue d'une pièce.
Les traitement d'écrouissage de surface et de cémentation mettent la surface en compression (précontrainte) et donc évitent l'alternance traction-compression. Les traitements d'élimination des rayures par écrouissage, polissage mécanique ou polissage électrolytique, évitent les concentrations de contrainte ; cependant, les polissages enlèvent de la matière et donc éliminent l'écrouissage superficiel, qui est lui bénéfique contre la fatigue.
| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Carbonitruration | aciers de cémentation et de nitruration | 0,05 à 0,5 mm | sollicitations en flexion/torsion : articulations, arbres | |
| Grenaillage, moletage, galetage | métaux et alliages ductiles | ressorts, arbres | ||
| Polissage | métaux et alliages ductiles | |||
| Sulfonitruration | alliages ferreux | 20 à 30 μm | 700 à 1 000 | glissières, paliers, guides |
Réduire les coefficients d'adhérence et de frottement
modifierLa réduction des coefficients d'adhérence (μo ou ƒo) et de frottement (μ ou ƒ) permet d'éviter le grippage, l'arc-boutement et l'usure, et améliore le rendement du mécanisme (moins de dissipation sous forme de chaleur). Cela peut éviter d'avoir à lubrifier. On a donc une augmentation de la durée de vie des pièces, une réduction du coût de fonctionnement et du coût de maintenance.
| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Chromage dur | alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages | 0,05 à 0,5 mm | 900 à 1 000 | cycles, ameublement |
| Chromisation | aciers à faible teneur en carbone | 25 à 500 μm | 1 000 à 1 600 | limes, filières, fraises dentaires, moules |
| Nitruration | aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) | 0,1 à 0,5 mm | 600 à 1 200 | pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe |
| Phosphatation | alliages ferreux | 0,05 à 0,5 mm | 900 à 1 000 | tôles d'emboutissage, billettes pour tréfilage |
| Sulfonitruration | alliages ferreux | 20 à 30 μm | 700 à 1 000 | glissières, paliers, guides |
Résister à l'environnement
modifierOn s'intéresse ici à l'inertie chimique : résistance à la corrosion, mais aussi résistance au milieu industriel — produits circulant dans les tuyauteries ou stockés dans les cuves. Dans la partie « domaine d'application », nous nous contentons d'indiquer éventuellement les milieux chimiques spécifiques.
| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Anodisation | aluminium et alliages | 0,01 à 0,12 mm | menuiserie | |
| Cadmiage | alliages ferreux, cuivre et ses alliages | 2 à 30 μm | 25 à 30 | milieu alcalin |
| Carbonitruration | aciers de cémentation et de nitruration | 0,05 à 0,5 mm | ||
| Chromatation | zinc et ses alliages (acier galvanisé[1]), aluminium et ses alliages, cadmium | |||
| Chromisation | aciers à faible teneur en carbone | 25 à 500 μm | 1 000 à 1 600 | |
| Galvanisation | alliages ferreux, aluminium et ses alliages | 5 à 30 μm | 70 à 240 | atmosphère marine |
| Étamage | alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages | 5 à 30 μm | milieu alimentaire (fer blanc) et chimique | |
| Nickelage | alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages | 5 à 75 μm | 150 à 400 | hautes températures, produits chimiques, alimentaire, nucléaire |
| Nitruration | aciers de nitruration (alliés au Cr, Al) | 0,1 à 0,5 mm | 600 à 1 200 | |
| Peinture | tous supports | 10 à 20 μm | milieux non abrasif, températures modérées | |
| Phosphatation | alliages ferreux | 0,05 à 0,5 mm | 900 à 1 000 | en préparation de peinture |
Modifier les propriétés électriques
modifierLa conduction électrique se fait en surface (effet de peau) : le champ électrique est nul au sein d'un conducteur, et tous les métaux sont conducteurs. Un traitement de surface permet donc d'améliorer la conductivité électrique (diminuer la résistance électrique de la pièce). Par ailleurs, si l'on forme une couche isolante électrique, on empêche le passage du courant dans la pièce.
Améliorer la conductivité
modifier| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Argenture | tous métaux et alliages, plastiques | 5 à 400 μm | 25 à 80 | |
| Cadmiage | alliages ferreux, cuivre et ses alliages | 2 à 30 μm | 25 à 30 | |
| Cuivrage | alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages | 5 à 25 μm | 50 à 100 | |
| Dorure | tous métaux et alliages, plastiques | 0,2 à 5 μm | 20 à 60 |
Isoler électriquement
modifier| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Anodisation | aluminium et alliages | 0,01 à 0,12 mm | ||
| Peinture | tous supports | 10 à 20 μm | milieux non abrasif, températures modérées | |
| Phosphatation | alliages ferreux | 0,05 à 0,5 mm |
Être esthétique
modifier| Traitement | Métal support | Épaisseur | Dureté Vickers HV |
Domaines d'application |
|---|---|---|---|---|
| Anodisation | aluminium et alliages | 0,01 à 0,12 mm | ||
| Argenture | tous métaux et alliages, plastiques | 5 à 400 μm | 25 à 80 | |
| Chromage dur | alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages, laiton | 0,05 à 0,5 mm | 900 à 1 000 | cycles, ameublement, robinetterie |
| Dorure | tous métaux et alliages, plastiques | 0,2 à 5 μm | 20 à 60 | |
| Grenaillage, molletage, galetage | métaux et alliages ductiles | |||
| Polissage | métaux et alliages ductiles | |||
| Peinture | tous supports | 10 à 20 μm | milieux non abrasif, températures modérées |
Notes
modifier- ↑ on traite la couche de zinc déposée sur l'acier, et pas l'acier lui-même
Bibliographie
modifier- C. Hazard, F. Lelong, B. Quizain, Mémotech structures métalliques, Casteilla, (ISBN 2-7135-1751-6), p. 40-41
