Tribologie/Traitements anti-usure

Traitements mécaniques

Ils s'appliquent aux métaux susceptibles d'être améliorés par écrouissage. Le but est d'augmenter la dureté et de créer des contraintes résiduelles de compression :

Grenaillage de précontrainte

Peu utilisé en frottement, le grenaillage de précontrainte élève la résistance à la fatigue de pièces de toutes sortes : ressorts, arbres ...

• 
  Structure austénitique après grenaillage de précontrainte.

Moletage, galetage et procédés similaires

Le moletage et le galetage sont des usinages de finition ; les pièces à traiter sont usinées avec une légère surépaisseur par rapport à la cote nominale, puis soumises à la pression d'un « brunissoir » qui écrase les couches superficielles. Le brunissoir peut être muni de galets coniques inclinés par rapport son axe, mais on peut aussi utiliser un diamant fixé de façon élastique. La lubrification est très importante pour la réussite de l'opération.

Le moletage et le galetage améliorent le poli, l'exactitude des cotes, la dureté et la résistance (galetages dits de surface, dimensionnel, de renforcement). On peut atteindre 45 HRC et l'on traite ainsi les aciers, surtout dans l'industrie automobile, les superalliages, les alliages de titane, ... Les surfaces galetées résistent davantage à la fatigue et portent mieux que les surfaces rectifiées, se comportant comme si elles étaient déjà rodées. Elles s'usent parfois moins que les surfaces trempées. Il ne faut jamais galeter les aciers étirés à froid car ils sont déjà écrouis.

Ces opérations produisent des contraintes résiduelles de compression qui réduisent le risque de fissuration, en particulier dans des zones sensibles comme les bords des tourillons et des manetons de vilebrequins.

Polissage mécanique

On sait depuis les travaux de Beilby (1921) que le polissage mécanique provoque une fusion ou au moins un ramollissement des points hauts de la surface des pièces et que la matière de ces derniers vient combler les vallées.

Finitions électrochimiques

L'électropolissage, ou polissage électrolytique, est le processus inverse de la galvanoplastie : il dissout les couches superficielles. Étudié en tant que technique en 1910 par Bentel et Shpital'Sku, il fut appliqué industriellement vers 1930 grâce aux travaux de Jacquet. Les pointes sont enlevées les premières, mais la rugosité initiale n'est pas réduite à zéro car une fois les plus gros reliefs détruits, l'attaque est uniforme. L'enlèvement des couches externes révèle la structure du métal et les défauts éventuels, contrairement aux actions mécaniques qui créent un écrouissage plus ou moins fort.

L'élimination des rayures élève la résistance à la fatigue mais, en même temps, l'absence de contraintes résiduelles de compression la diminue. Les surfaces sont remarquablement propres et ne présentent pas les inclusions provoquées par le polissage mécanique.

Traitements des métaux ferreux

Traitements mécaniques

Rappelés pour mémoire, ils concernent surtout les aciers.

Traitements thermiques proprement dits

On ne doit jamais faire frotter une pièce d'acier qui n'a pas subi les traitements thermiques normalisés de trempe et revenu, éliminant au maximum les structures austénitiques et ferritiques.
En France, l'industrie automobile traite à elle seule 200 000 tonnes d'acier par an. En frottement, on utilise souvent la trempe superficielle et donc les aciers spécialement conçus pour elle.

Le durcissement de surface par arc électrique est un procédé rare en France mais très commun en Russie.

Parmi les techniques nouvelles, signalons les traitements localisés par faisceaux d'électrons et par laser. Le durcissement par trempe laser est particulièrement prometteur car il supprime la déformation et l'usinage ultérieur des pièces.

Le traitement Laser Peening proposé par la société MIC France peut être utilisé lorsque le grenaillage de précontrainte se révèle insuffisant. Il crée des contraintes résiduelles de compression atteignant au moins 60 % de la limite d'élasticité du matériau. La profondeur affectée est bien plus importante, jusqu'à 8 mm. Sur des pièces en titane, par exemple, il a permis d'obtenir une augmentation de charge admissible de 25 % contre 14 % pour le grenaillage de précontrainte.

Traitements thermochimiques de diffusion

Des atomes étrangers, formant des solutions solides le plus souvent interstitielles, distordent les réseaux cristallins et augmentent la dureté superficielle en créant des contraintes résiduelles de compression, ce qui améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation. On distingue :

• la diffusion de métalloïdes, carbone, azote, soufre, bore, par voie liquide (bains de sels) ou gazeuse et plus récemment, par bombardement ionique. Elle concerne 60 000 tonnes de pignonnerie par an dans l'industrie automobile. Le carbone est à la base de presque tous les traitements de l'acier ;
• la diffusion de métaux, aluminium et chrome notamment, améliore la résistance à l'oxydation à haute température.

Cémentation

La cémentation est un cas particulier de la carbonitruration. On carbonitrure en général des pièces peu massives en acier mi-dur sur une profondeur voisine de 0,3 mm, puis on trempe en huile chaude. La cémentation convient plutôt à des pièces massives en acier doux traitées vers 0,8 mm, puis trempées en huile froide.

On peut cémenter sur une profondeur de plusieurs millimètres. Les atomes de carbone, dont le diamètre vaut 0,63 fois celui des atomes de fer, provoquent de grandes distorsions des réseaux cristallins et s'insèrent mieux dans les structures cubiques que dans les cubiques à face centrée. La diffusion de carbone doit toujours être suivie d'une trempe.

Dans le cas de contacts ponctuels ou linéiques, la profondeur du traitement doit atteindre environ deux fois celle du cisaillement hertzien maximal. La résistance à cœur des pièces est optimale vers 850 - 1 080 N/mm². On dispose de programmes de calcul définissant les caractéristiques des couches cémentées en fonction de l'usage prévu.

La cémentation n'est pas un traitement spécifique de l'usure adhésive, mais on peut la faire suivre d'une sulfuration à basse température. Il est toujours dommage de rectifier les pièces cémentées trempées à cause du relâchement des contraintes résiduelles de compression. La fragilisation des pièces cémentées par l'hydrogène peut être telle que des ruptures fragiles différées se produisent sous des contraintes anormalement basses. Une déshydrogénation aussi complète que possible est obtenue par un revenu sous vide ou dans un gaz inerte.

La cémentation sous vide présente des avantages importants de temps et de coût, tout en diminuant les distorsions des pièces par suite d'un maintien à température moins long. On note comme exemple d'application le traitement d'engrenages de réducteurs de vitesse d'hélicoptères.

Nitruration

La nitruration fut découverte en 1923 par un technicien de la firme Krupp qui, ayant chauffé un acier dans une atmosphère d'ammoniac, observa une dureté superficielle anormalement élevée.

La nitruration nécessite des aciers contenant un peu d'aluminium, 1,2 % par exemple. L'azote s'intercale dans le fer pour former une solution solide interstitielle et ouvre la voie à des atomes plus gros qui sans lui ne pénétreraient pas. Il se combine en partie avec le fer, mais seulement en surface, pour former du nitrure Fe₄N. Un blocage des réseaux cristallins est provoqué par le nitrure d'aluminium stable AlN formé in situ.

La nitruration a d'importants avantages : faibles déformations pendant le traitement, dureté élevée, bon frottement même sous lubrification aléatoire, bonne résistance au revenu et à la corrosion, sauf sur les aciers inoxydables. C'est un traitement « complet » à cause de l'azote qui prévient le grippage et des contraintes résiduelles de compression qui sont créées. L'azote est le métalloïde le plus recommandable pour le frottement du fer sur le cuivre ou le bronze. Les couches nitrurées sont excellentes pour les faibles pressions superficielles et il faut tout tenter pour les utiliser à l'état brut. Leurs propriétés dépendent peu du procédé utilisé mais beaucoup de la microstructure obtenue.

Les inconvénients sont le temps de traitement qui peut atteindre 70 h, une faible profondeur durcie donc une faible usure tolérable, peu de résilience, de faibles contraintes et déformations admissibles en service ainsi qu'un léger gonflement des pièces.

Les procédés en phase gazeuse ALNAT N et ALNAT NO d'Air Liquide utilisent l'ammoniac et le protoxyde d'azote. Les surfaces sont un peu plus ductiles et moins sujettes à l'écaillage que par la nitruration gazeuse classique. Leur propriétés de frottement sont analogues à celles obtenues en nitruration ionique.

Nitruration ionique

Les Allemands l'ont inventée en 1930 et appliquée en secret aux tubes des canons à longue portée. Ils ont poursuivi les études après la guerre à cause de la pauvreté de leur pays en éléments d'alliage. L'Europe est très en avance en matière de nitruration ionique, de l'aveu même des Américains.

Ce procédé utilise le plasma d'un arc électrique à basse tension et haute intensité à la pression atmosphérique, arc dans lequel l'azote présent est ionisé. Les ions accélérés percutent la pièce et s'y implantent, le nitrure de fer FeN est absorbé à sa surface et transformé en nitrures d'ordre inférieur. Le four de traitement ressemble à un gros tube à décharge où la cathode supporte les pièces à traiter, l'anode étant constituée par les parois.

On peut durcir une pièce dont l'usinage est entièrement terminé. Aucun autre traitement thermochimique ne conserve aussi bien la géométrie et l'état de surface. Il est préconisé sur des aciers de résistance 900 à 1 100 N/mm², d'où la nécessité d'un prétraitement pour obtenir les caractéristiques voulues à cœur. La profondeur courante est 0,3 mm et le gonflement de l'ordre de 5 µm. Les applications sont nombreuses :

• en construction automobile : soupapes, poussoirs, engrenages, chemises de cylindres, tiges de pompes, arbres à cames, injecteurs, transmissions ;
• en armement : blocs de culasses, tubes de canons et canons de fusils, pièces de missiles, rails de lancement ;
• en outillage : matrices d'estampage, vis, cylindres et moules pour plastiques, lames de rasoir, bistouris, forets, tarauds, alésoirs, guides, rouleaux, etc.

Carbonitruration

L'introduction simultanée d'azote et de carbone suivie d'un durcissement par trempe améliore la résistance à la fatigue par flexion-torsion, à la fatigue superficielle sous charge modérée et à l'usure abrasive. La profondeur, fonction de l'usure admissible, doit être au moins deux fois celle du cisaillement maximal. Ce traitement n'est pas spécifique de l'usure adhésive.

Boruration

Le traitement de boruration est réalisé entre 800 et 1 050 °C, le bore diffusé sur 20 à 400 µm se combine pour donner du borure de fer. On obtient une très grande résistance à l'usure par abrasion et une bonne résistance à la corrosion. Les applications sont variées : guidefils, hélices, vis transporteuses, poinçons, matrices, pompes pour matières abrasives, guides, glissières, galets, outillage de moulage d'alliages légers ou de zinc ... Un procédé moderne s'appelle Borudif.

En Russie, on pratique beaucoup la boruration à composants multiples ; en plus du bore, on fait diffuser d'autres éléments :

• le silicium améliore la résistance à l'abrasion en milieu aqueux ;
• l'aluminium protège la couche de borure de l'oxydation ;
• le vanadium réduit l'abrasion ;
• le cuivre réduit la fragilité de la couche de borures ;
• le chrome augmente la résistance à l'usure et à la corrosion ;
• le titane, en présence de chrome, augmente la durée de vie des pièces.

Les arêtes vives ne peuvent être revêtues. Toute la difficulté consiste à ne pas faire un revêtement biphasé qui s'écaille. Certains procédés posent des problèmes de pollution car il se produit un dégagement d'acide fluorhydrique très dangereux.

Chromisation

Le procédé de chromisation, industrialisé aux États-Unis dès 1919 est une cémentation au chrome donnant une couche superficielle extrêmement dure et un excellent coefficient de frottement. Après 90 minutes à 1075 °C dans des vapeurs de fluorure de chrome, la couche de diffusion atteint 0,1 mm. Le procédé français Dikrom utilise l'iodure de chrome.

L'acier chromisé porte un véritable revêtement de carbures de chrome extrêmement durs provoqué par la rétrodiffusion du carbone de l'acier vers la couche chromisée.

Les applications sont nombreuses : le traitement des outils à bois leur donne à bon compte la résistance à l'usure des outils au carbure. Un exemple d'usage à température élevée concerne les filières d'extrusion du cuivre où la pression atteint 15 000 bar, la température 780 °C, le temps d'extrusion 100 s. La filière qui était changée à chaque extrusion en réalise 500.

Stanal

Ce traitement contre l'usure, le grippage et la corrosion est une diffusion de divers métaux, principalement d'étain. Après dépôt électrolytique d'un alliage polymétallique, la diffusion et la liaison entre la couche et le support sont assurées par chauffage à 600 °C. Le Stanal, qui concerne la majorité des alliages ferreux et des fontes, est difficile en présence de nickel, de chrome ou de plus de 2 % de carbone.

La facilité de lubrification sous très forte charge, la sécurité sous lubrification aléatoire, multiplient plusieurs dizaines de fois la durée de vie de pièces frottant dans l'eau douce ou salée sans huile ni graisse. La résilience est accrue et le frottement de certains aciers inoxydables devient possible.

Forez

Le respect de la règle des trois couches est idéal : on crée une couche superficielle très mince à base d'étain, une couche de diffusion dure et ductile forme des phases dures de l'alliage binaire cuivre-étain, capable d'accommoder et de régénérer par frottement le manteau protecteur d'étain, et une zone de transition réalise l'accrochage des couches superficielles.

Le gonflement est de 25 à 30 µm, les pièces doivent être finies avant traitement. Le forez multiplie la charge de rupture des films d'huile, augmente la résilience ainsi que la résistance à la fatigue et à la corrosion. Il permet par exemple de remplacer le bronze des roues de réducteurs à roue et vis sans fin par de l'acier.

Manganisation

Une diffusion de manganèse forme en surface une structure d'acier Hadfield qui durcit très fortement par écrouissage. On peut si nécessaire produire simultanément une sous-couche carburée. Parmi les applications, citons : frottement dans l'eau, cames, engrenages, pistes de roulement.

Chromaz

Combinaison d'une nitruration et d'un revêtement de chrome. L'association des deux techniques n'est pas évidente : les sociétés sont rarement spécialistes de l'un et de l'autre, par ailleurs il est très difficile de préparer une surface nitrurée pour la chromer correctement. Le nouveau traitement est actuellement appliqué pour des outillages de forge.

Traitements de diffusion divers

Les aciers inoxydables peuvent être durcis par l'étain déposé par immersion et diffusé pendant 48 h : le composé défini FeSn dissout le nickel et le chrome et forme une couche continue de dureté élevée.

Traitements de conversion

Tenifer

Trois heures à 560-565 °C dans un bain de cyanures et de cyanates alcalins, avec soufflage in situ d'oxygène, donnent sur les aciers au carbone une couche superficielle de 10 à 15 µm (épaisseur à ne pas dépasser) de cémentite Fe₃C et de nitrure de fer FeN, très dure mais adhérente et peu fragile, et une sous-couche de plusieurs dixièmes de millimètre contenant du nitrure de fer et de l'azote.

Le Tenifer diminue la sensibilité de l'épiderme aux soudures, améliore la dureté superficielle, diminue le coefficient de frottement, augmente la résistance à l'usure, à la corrosion, et peut doubler la résistance à la fatigue. On traite des pièces variées : essieux, vilebrequins, engrenages, chemises de moteurs, glissières, galets, vis, poinçons, moules de coulée d'alliages légers, fusées de roues, axes, leviers, pièces de pompes à eau, de machines à coudre, à calculer, à écrire, etc.

Sulfurations en général

Comme on le verra dans le chapitre consacré aux lubrifiants, le soufre joue depuis longtemps un grand rôle dans les problèmes de frottement. Son action reste pourtant mystérieuse et la composition exacte des couches obtenues par sulfuration n'est pas exactement élucidée. On traite, essentiellement dans des bains de sels fondus, divers matériaux :

• fers, fontes et aciers ;
• aciers inoxydables et réfractaires à moins de 25 % de nickel et 15 % de chrome ;
• aciers rapides ;
• titane ;
• bronzes sans aluminium ni plomb.

On ne doit jamais usiner par abrasion les pièces sulfurées, ni les faire frotter sur du chrome dur.

Tous les traitements qui comportent une introduction intersticielle d'azote et surtout de soufre forment des couches superficielles dont l'épaisseur se situe autour de 10 µm et qu'il ne faut surtout pas enlever car c'est elle qui confère aux surfaces leurs qualités frottantes. Le problème est de ne pas déformer les pièces lors de l'action du bain de sel, puisqu'il ne saurait être question de les rectifier après traitement. C'est pourquoi l'ordre logique des opérations définies dans un protocole de fabrication ne peut guère être que le suivant :

• écroutage et normalisation ;
• usinage d'ébauche ;
• trempe ;
• revenu pendant plusieurs heures à la température du futur traitement en bain de sels, par exemple 570 °C, en vue d'une sulfinuzation ;
• refroidissement lent ;
• usinage de finition ;
• traitement de surface.

Sulfinuz

Le traitement Sulfinuz met en œuvre des bains de sels assez complexes comprenant une base inactive de chlorures et carbonates alcalins et alcalinoterreux, qui imposent leur point de fusion, et des sels actifs soufrés protégés par du cyanure. Les recherches menées sur ces bains, tant en France qu'en URSS, ont montré que la température optimale était dans tous les cas très voisine de 570 °C et que l'absence de cyanure créait une oxydation susceptible de détruire rapidement la liaison de la couche sulfurée avec le métal sous-jacent. Le temps de maintien dans le bain peut aller de 5 min à 6 h ou plus, selon la taille de la pièce et la nature du métal à traiter.

Le Sulfinuz, comme d'autres traitements de sulfuration, produit une forte carburation des couches superficielles et une introduction interstitielle des éléments soufre et azote qui favorisent mutuellement leur pénétration. Immédiatement sous un « épiderme » épais d'une dizaine de µm environ, des arborescences pénètrent entre les grains du métal sur une profondeur qui peut atteindre 0,2 à 0,3 mm et jusqu'à 0,6 à 0,7 mm pour l'azote. Cette profondeur croît comme la racine carrée du temps, ce qui l'apparente à une diffusion, mais le processus est plus complexe. Il engendre un enrobage des grains qui facilite l'accommodement avec un minimum d'écrouissage.

Le Sulfinuz n'abaisse pas directement le coefficient de frottement mais il amplifie l'action des lubrifiants en facilitant leur adsorption. Par ailleurs, grâce à la présence d'une microcouche de sulfure de fer, il inhibe les soudures et prévient donc l'usure adhésive, même lorsque la température est élevée. Cet effet est dû pour l'essentiel à l'action du soufre qui est un remarquable lubrifiant à chaud. La question de savoir si, dans les couches sulfinuzées, le soufre existe seulement à l'état de sulfures, ou s'il est en partie sous forme libre, n'est d'ailleurs pas tranchée. La résistance au grippage par défoncement des sous-couches est améliorée dans toutes les configurations de fonctionnement, cependant la résistance aux collages épidermiques n'est optimale qu'à partir d'une certaine vitesse de glissement, lorsque les températures éclairs sont suffisamment fortes.

Les contraintes résiduelles de compression peuvent augmenter de 60 % la pression au-delà de laquelle apparaissent les premières fissures de surtension, ce qui accroît de façon spectaculaire la résistance à la fatigue des couches superficielles. Aucun autre traitement, sauf peut-être le Tenifer, ne fait aussi bien sur ce plan. Il n'y a généralement pas d'augmentation de la dureté en surface, contrairement à ce que l'on pourrait croire, et les valeurs obtenues après Sulfinuz dépendent de l'acier utilisé.

Très curieusement, le traitement migre vers l'intérieur des pièces lorsque celles-ci s'usent ; il peut en quelque sorte « survivre » à une perte de matière qui peut atteindre plusieurs millimètres.

Les pièces traitées ont parfois un aspect peu engageant, on parle de « peau de crapaud », mais ce défaut d'esthétique n'altère généralement pas les qualités frottantes. Cependant, il peut être dû à des résidus d'huiles de coupe dopées au chlore ou au phosphore et dans ce cas il témoigne de réactions de corrosion très nuisibles. Certains additifs sont en effet très actifs chimiquement et il faut les éliminer aussitôt après l'usinage, faute de quoi tout nettoyage ultérieur deviendrait impossible.

Les applications du Sulfinuz sont nombreuses. Par exemple, il permet le frottement mutuel des aciers inoxydables et il peut également s'appliquer aux alliages de titane ou aux bronzes, à condition que ceux-ci ne contiennent ni plomb, ni aluminium. Des axes en acier sulfinuzé emmanchés dans des pièces d'aluminium peuvent être démontés et remontés sans grippage, ce qui ne serait pas possible autrement. Notons aussi que ce traitement, pratiqué sur une seule pièce d'un couple, contamine la pièce antagoniste. Caubet cite le cas d'un foret sulfinuzé monté dans un mandrin de perceuse : ce foret glisse entre les mors, même très fortement serrés, et naturellement il casse par flambage ; si on le remplace par un foret normal, celui-ci glisse et casse à son tour, car les mors ont été littéralement sulfinuzés par le premier foret. Il faut donc toujours rectifier la queue d'un foret sulfinuzé ... Les couches sulfinuzées ont également la propriété de fluer très facilement et cet avantage devient un inconvénient si l'on conserve le traitement sur des portées de roulements.

Le Sulfinuz est un traitement thermochimique coûteux mais aussi l'un des rares qui permettent de résoudre la plupart des problèmes de frottement à chaud. L'association nitruration plus Sulfinuz est la meilleure solution contre l'abrasion par fil, à condition de ne jamais rectifier les pièces entre les deux traitements.

Sulficad

Le Sulfinuz amélioré par la présence de cadmium permet à l'acier de frotter sur les alliages légers. Le fort abaissement du coefficient de frottement permet des applications dans les milieux oxydants, aqueux, ou en ambiance marine. Le Sulficad s'applique sur des pièces terminées, éventuellement très précises. Ses applications sont toutefois limitées en raison de la toxicité du cadmium.

Sursulf

Il permet de traiter les aciers au carbone, les aciers alliés, les aciers rapides, certains aciers inoxydables et les fontes.

Traitement entre 560 et 570 °C pendant 1 h 30 à 5 h dans un bain non polluant de cyanates et carbonates alcalins. La teneur en cyanures est faible, même en cas d'incident, l'adaptation d'installations pour le Sulfinuz et le Ténifer est immédiate et la consommation de sels très réduite.

La couche de nitrures et sulfures de fer, appelée couche de combinaison, ayant une épaisseur de 10 à 30 µm selon le temps de traitement et la nuance de l'acier, est très ductile et d'autant plus dure que la teneur de l'acier traité en carbone et en éléments d'alliage est plus élevée. La diffusion d'azote atteint 0,5 mm. Les propriétés antigrippantes sont remarquables, tout comme la tenue à l'usure, à la fatigue et à la corrosion. On traite tous les aciers qui peuvent supporter la température prescrite.

La dureté de la micro-couche peut varier de 700 à 1 000 HV < 0,2 environ suivant l'acier de base. À titre d'exemple, pour des aciers non alliés, au carbone, cette dureté est de l'ordre de 700 HV < 0,2.

Pour les pièces très précises, il faut tenir compte d'un léger gonflement d'environ 10 μm au diamètre. Le traitement ne doit être suivi d'aucun usinage à l'exception des superfinitions par pierrage, rodage ou polissage. La résistance à la corrosion est très bonne, en cas d'exposition au brouillard salin, on peut compléter le Sursulf par un traitement de passivation Oxynit (Techniques Surfaces, ex HEF).

Sulfurations à basse température

Elles concernent des pièces déjà traitées par cémentation, carbonitruration, trempe, revenu et rectification éventuelle. Ces traitements courts et très simples ne provoquent ni déformation, ni chute de dureté importante, mais ils peuvent diminuer la résistance à la fatigue et faciliter la corrosion par l'huile.

• L'héparisation agit à 140-150 °C en milieu liquide. Le traitement, de 10 min à 1 h, donne une couche gris-noir.
• La nitrucoloration est une nitruration suivie d'une héparisation.
• Le Sulf BT est une électrolyse en bains de thiocyanates fondus vers 185-195 °C qui donne en 10 min une couche de sulfure de fer épaisse de 5 à 7 µm. Contrairement au Sulfinuz, il n'y a pas d'augmentation de dureté ni d'endurance par carburation ou nitruration. Il est bon d'appliquer le Sulf BT, qui convient aux structures martensitiques, après durcissement par cémentation et trempe. Le grippage de deux pièces traitées est quasiment impossible, même sans lubrification. La durée de vie de pièces cémentées en roulement-glissement combinés peut être multipliée par 6. Le Sulf-BT entraîne une perte de cote de 5 à 10 µm au diamètre dont il faut tenir compte lors de l'usinage si les tolérances sont serrées. Une haute résistance à l'usure est conférée aux aciers Hadfield préalablement galetés. On ne peut pas traiter l'acier inoxydable au-dessus de 12 % de chrome. Exemples d'applications : engrenages, chemises de moteurs, pièces et outils en acier rapide ou 100C6, poinçons d'emboutissage pour l'acier inoxydable, canons et douilles de perçage, etc.
• La sulfuration ionique donne en 1h à 200 °C une couche de sulfure de fer hexagonal de 2 à 4 µm de couleur variable du gris à l'olive.

Phosphatation

Les phosphatations modernes font intervenir du zinc pour obtenir une couche de phosphate double de fer et de zinc qui peut être imprégnée. La phosphatation au zinc ou parkérisation est dite cristalline par opposition à la phosphatation amorphe. En emboutissage et tréfilage, la phosphatation des tôles permet de retenir suffisamment de lubrifiant. La phosphatation au zinc est encore appelée Bondérisation ; la phosphatation au manganèse ou Parcolubrite crée à la surface des pièces en acier une couche de 4 à 5 µm de phosphates complexes de fer et de manganèse capables de retenir un film lubrifiant, voire un lubrifiant solide dans une résine polymérisable. Applications : segments de pistons, chemises, tiges d'amortisseurs.

Historique

Le décapage d'une surface d'acier à l'aide d'une solution diluée et chaude d'acide phosphorique provoque la formation de phosphate de fer, qui assure une passivation et améliore la tenue à la corrosion des revêtements de peinture. C'est un fait connu depuis longtemps, dénommé Pickling, ou également procédé Duplex Footner, lorsque la passivation phosphorique suit un décapage à l'acide sulfurique.
La phosphatation en solution aqueuse des métaux par le phosphate de fer date de 1906 avec le brevet Anglais de Thomas Coslett, déposé en France en 1907, et les premières applications apparurent en 1908 sous le nom de « Coslettisation ». Dès 1910, Coslett utilisa des solutions à base d'acide phosphorique et de phosphate de zinc.

La Parkérisation

C'est une phosphatation au manganèse dite "profonde", en vue de l'anticorrosion fit son apparition aux États-Unis en 1926 avec le Parco-powder de la Parker Rust Proof Co, puis en France en mai 1927 avec le Parcosel. La parkérisation fut alors considérée comme une méthode nouvelle de protection des alliages de fer, décrite par Jean Cournot dans une communication à l'Académie des sciences en novembre 1927 :
« La méthode consiste à traiter le fer, la fonte ou l'acier, dans des bains acides bouillants renfermant 3 à 4 % de phosphates de fer et de manganèse préparés à partir de l'acide orthophosphorique ; lorsque les pièces, préalablement décapées, sont immergées dans ces solutions, il se produit une attaque superficielle avec dégagement d'hydrogène et production d'un phosphate de fer secondaire, lequel atteint rapidement la limite de saturation ; l'attaque s'arrête alors et il se produit sur le métal un dépôt des phosphates complexes en excès, le recouvrement obtenu, d'une couleur gris-noir, est extrêmement adhérent puisqu'il se dépose sur un métal légèrement gravé par l'attaque antérieure : il est de plus très résitant à la corrosion atmosphérique normale, il constitue enfin par sa nature même, une base remarquable pour des finitions appropriées aux genres de corrosions spéciales contre lesquels les pièces peuvent avoir à lutter ».

Pentratage

Par oxydation puis huilage (c'est une manière de brunissage), on obtient une surface d'un beau noir profond améliorant le frottement et la lubrification.

Traitements des alliages d'aluminium et de magnésium

L'aluminium est le métal le plus abondant dans l'écorce terrestre, tandis que le magnésium arrive en troisième position ; dans un monde où les ressources en matériaux précieux ou semi-précieux vont devenir, au fil des années, de plus en plus restreintes, cette disponibilité très importante plaide en faveur d'une utilisation plus large de ces deux métaux pour la fabrication des pièces mécaniques. Si l'aluminium est assez largement utilisé pour fabriquer des pièces de structure, il n'en est pas de même pour le magnésium qui, pour l'essentiel, est utilisé comme élément d'alliage ajouté à l'aluminium. Les propriétés spécifiques de ces deux matériaux, entre autres celles qui tiennent compte de leur faible densité, sont finalement assez mal exploitées.

En fait, les alliages d'aluminium et de magnésium sont peu adaptés au frottement à cause de la solubilité de l'aluminium dans la plupart des métaux et en particulier dans l'acier, et de sa sensibilité à la déchirure par frottement excessif et surcontraintes de traction. Le moindre défaut de lubrification lors du glissement dans un contact acier/aluminium conduit irrémédiablement au transfert d'aluminium sur l'acier et donc au grippage.

L'aluminium et l'acier ne peuvent être utilisés pour confectionner des pièces frottantes que si leurs surfaces sont spécialement traitées dans ce but. On peut par exemple :

• déposer des revêtements chimiques de nickel ou de plomb ;
• réaliser des dépôts galvaniques de chrome ou d'étain ;
• disperser des carbures, plus spécialement du carbure de silicium, dans des couches superficielles de nickel (traitements Nikasil, Nigusil, Elnisil, Galnical) ;
• déposer par projection des métaux, des céramiques ou des cermets ;
• créer in situ des couches d'oxydes, éventuellement imprégnées de lubrifiants solides comme le bisulfure de molybdène ou certains corps gras ;
• utiliser des protections sous forme de vernis ou de peintures ;
• plaquer des métaux plus aptes au frottement, utiliser des inserts, ...

Dans tous les cas, la préparation de surface est essentielle, afin d'obtenir des couches parfaitement adhérentes.

Oxydation anodique

C'est sans doute le traitement le plus simple et le plus courant sur les pièces d'aluminium. L'anodisation forme en surépaisseur une couche d'alumine de 0,04 à 0,1 mm, à la fois très dure et très résistante à l'usure, mais de faible conductivité thermique et sensible aux chocs et aux surpressions hertziennes. Cette couche est poreuse et on peut remplir les pores par des films de lubrifiants liquides ou solides. Des colorants peuvent aussi être introduits, mais cette fois, à des fins décoratives. Sur le magnésium on obtient des couches très poreuses qui peuvent être trois fois moins dures que celles que l'on obtient sur l'aluminium. On pratique généralement un colmatage pour les rendre étanches ou encore pour qu'elles puissent faciliter l'accrochage de peintures ou de vernis ; à la suite de cette opération, la partie externe des pores est refermée, généralement par hydratation, et on constate un léger gonflement.

Il est vrai que pour le magnésium le premier problème à résoudre, avant celui du frottement, est celui de la corrosion.

L'anodisation sulfurique (OAS) permet de protéger efficacement les alliages légers contre la corrosion, elle permet d'obtenir des couches d'oxydes épaisses, dans un but essentiellement décoratif, avec des colorations très variées.

L'anodisation chromique (OAC) forme des couches très minces (de 2 à 7 µm) et convient donc pour des pièces dont les tolérances dimensionnelles sont très serrées. Elle présente une bonne aptitude au frottement et de faibles risques d'attaque du substrat par les électrolytes, qu'elle retient peu, contrairement à l'anodisation sulfurique ordinaire.

L'anodisation dure(OAD) recouvre les pièces d'une couche assez épaisse, dont la résistance à l'usure est très bonne, et qui se comporte à la fois comme un isolant électrique et un isolant thermique. Une couche anodisée de 50 µm a une dureté d’environ 500 Vickers. C'est ce procédé qu'il faut recommander lorsque la résistance à l'usure est primordiale. Les pièces peuvent être teintées, mais uniquement en noir, et la dureté subit alors une baisse importante.

Le Zinal, un exemple de traitement anti-grippage pour l'aluminium

Un dépôt galvanique à base de cuivre et d'indium chauffé pendant 3 h vers 170 °C forme sur 15 à 20 µm une couche de diffusion parfaitement homogène et régulière, dure, conductrice de la chaleur et de l'électricité, pouvant suivre sans se briser les déformations éventuelles du substrat. Il se produit un gonflement de l'ordre de 15 µm.

L'indium inhibe tout grippage contre l'acier ou le chrome, la pièce s'en recouvre dès le début du frottement, permettant même le glissement dans l'ultravide. On note une amélioration de la tenue des films d'huile. Les meilleurs antagonistes sont les aciers, le chrome dur, le molybdène et dans certains cas les alliages d'aluminium. Le Zinal permet de remplacer par l'aluminium les alliages cuivreux des fourchettes de boîtes de vitesses, le bronze ou l'acier revêtu de molybdène des cônes de synchroniseurs. On l'utilise aussi pour les convoyeurs ou les freins d'automobiles.

Traitement Keronite

La société Keronite Ltd, de Cambridge, a mis au point un traitement de surface permettant d'utiliser plus largement les alliages d'aluminium, de magnésium et de titane à la place de l'acier. Pour les véhicules, cela se traduira par un allégement pouvant atteindre 10 % et de substantielles économies de carburant.

La technique utilisée est une oxydation électrolytique au plasma (PEO) qui convertit les surfaces en une céramique très dense et très dure possédant une excellente résistance vis-à-vis de la corrosion et de l'usure. Un processus d'immersion permet de traiter les formes intérieures et extérieures simples ou complexes. Les solutions électrolytiques de Keronite ne contiennent ni chrome, ni autres métaux lourds, ni ammoniac, ni acide, elles ne produisent aucun déchet dangereux et les métaux traités peuvent être recyclés sans difficulté.

Le traitement comporte trois phases :

• oxydation de la surface ;
• co-déposition d'éléments additionnels ;
• fusion de la couche protectrice de céramique.

On peut considérer que le revêtement obtenu se compose de 3 couches successives :

• une mince couche de transition permet un excellent accrochage de la couche de céramique sur le substrat ;
• une couche plus épaisse et très dure de céramique fondue procure la résistance à l'usure ; sa porosité atteint 2 à 15 %. Dans le cas de l'aluminium il s'agit essentiellement d'alumine, pour les alliages de magnésium on obtient un oxyde de type spinelle MgAl₂O₄ comme le prouve l'analyse par diffraction de rayons X ;
• une couche externe représente 10 à 20 % de l'épaisseur totale ; elle constitue, grâce à une porosité de l'ordre de 15 %, une base solide pour d'autres revêtements.

On peut dans une large mesure faire varier la composition du bain d'électrolyse pour obtenir des propriétés spécifiques pour certaines applications. Le procédé s'applique aussi en cas de réparations sur des zones blessées accidentellement ou remises à neuf.

Outre les applications automobiles et aéronautiques, le traitement Keronite peut être appliqué aux boîtiers de téléphones mobiles et d'ordinateurs portables, aux montures de lunettes, aux ustensiles ménagers comme les poêles à frire en aluminium qui acquièrent une excellente résistance à la corrosion et aux rayures, etc.

Liens externes

• Établissements Prébet & Fils : [1]
• Société Keronite : [2]

Traitement des alliages cuivreux

Delsun

Le Delsun^® traite les principaux alliages cuivreux, bronzes et laitons. Un dépôt chimique polymétallique (étain, cadmium, antimoine, indium) diffuse de 1 à 2 heures à 400 °C. Cela crée une phase très dure et très ductile en surface, couverte d'un fin manteau antigrippage régénéré lors du frottement. Il est quasi impossible de faire gripper un acier et un matériau antagoniste traité, les performances restent correctes dans l'eau, d'où l'emploi en robinetterie. La surépaisseur vaut 7,5 µm et la rugosité optimale avant traitement 1 à 3 µm CLA. Le Delsun double les pressions hertziennes tolérables et augmente la résistance à l'abrasion. On l'utilise sur des synchroniseurs, coussinets, fourchettes, engrenages, roues à vis sans fin, écrous, vérins, chemises, segments, clapets, vannes, tiges de commande, matrices pour tôles inoxydables, matériel électrique, pompes à engrenages.

Signalons enfin la possibilité de sulfurer les bronzes.

Traitements divers

Chromaluminisation

Cette diffusion simultanée de chrome et d'aluminium est spécifique des superalliages réfractaires à base de nickel et de cobalt utilisés dans les turboréacteurs. Elle en protège en particulier les ailettes contre l'érosion par les gaz de combustion qui circulent à grande vitesse.
Son inventeur est Philippe Galmiche (1922-1988), docteur, maître de recherches à l'ONERA. Ses recherches ont permis de protéger les aubes des turboréacteurs de la plupart des avions jusqu'à nos jours.

Tifran

Le titane est léger, résiste bien aux contraintes et à la corrosion, mais grippe facilement sur lui-même ou sur l'acier. On a essayé, sans grand succès, diverses solutions :

• nouveaux lubrifiants ;
• dépôts galvaniques : argenture, cadmiage, chromage ;
• dépôts par projection : molybdène, carbure de tungstène ;
• diffusion de métalloïdes : azote, bore, carbone ;
• oxydation anodique.

Le Tifran réalise par diffusion en phase gazeuse à 700 °C une couche de 10 à 60 µm composée principalement d'oxydes, résistante au grippage et à l'usure, et qui rend possible la tenue de films lubrifiants de MoS₂ ou de PTFE. Cette couche peut frotter sur elle-même ou sur l'acier, mais pas sur le titane nu.

Magnadise

Les alliages de magnésium sont difficiles à protéger de l'abrasion et de la corrosion. Le traitement Magnadise de la société General Magnaplate Corporation, Linden, États-Unis, forme une couche d'oxyde de magnésium poreuse, d'épaisseur 0,076 à 0,5 mm, imprégnée de PTFE ou de MoS₂ et incrustée dans le réseau cristallin. Cette couche est très dure, lisse et glissante.

Molynuz ( pour divers métaux )

Par électrolyse dans un bain aqueux de paramolybdate et de sulfure d'ammonium, on réalise in situ une couche de MoS₂ trois fois plus durable que celles obtenues par friction ou à la bombe.

Voir aussi

• Tribologie - Revêtements anti-usure
• sur Wikipédia : Traitement de surface