Traitements de surface

De manière générale les métaux et alliages sont souvent présents au sein des contacts frottant à sec. Ils sont en général soit associés à une contreface de type lubrifiant solide ou alors l’un des deux matériaux a subi un traitement spécifique visant à améliorer ses propriétés de surface. De nombreux traitements de surface existent à l’heure actuelle, il ne s’agit pas ici d’en faire une liste exhaustive mais d’évoquer les plus répandus pour lutter contre le fretting dans un premier temps puis nous nous focaliserons sur la nitruration qui est le traitement employé dans cette étude.

2.3.1 Les traitements les plus répandus

Les traitements de surface des métaux et autres alliages peuvent être de différents nature, il peut s’agir de traitement purement mécanique, de revêtement ou bien encore d’insertion en surface.

Les traitements par transformation structurale utilisent la déformation plastique du

métal ou un changement de phase et introduisent des contraintes superficielles et une augmentation de dureté. Le grenaillage de précontrainte (shot peening) est le plus utilisé des traitements mécaniques superficiels dans le domaine industriel [BARR 99]. Le principe est de projeter à grande vitesse des petites billes, en générale sphériques, en acier, verre ou bien céramique, appelées grenailles sur la pièce à traiter. Il s’agit de provoquer une déformation plastique à la surface de la pièce pour produire des contraintes superficielles de compression et un écrouissage de la surface.

Les traitements thermochimiques avec diffusion comme la nitruration, la cémentation

ou encore la carbonitruration. Ils sont utilisés pour modifier la composition superficielle du matériau. Ces traitements obéissent aux lois de diffusion et correspondent à un état d’équilibre. Certains de ces traitements comme la cémentation par exemple peuvent être poursuivis par une trempe.

Les traitements par conversion, ils consistent à faire réagir la surface avec des

éléments chimiques extérieurs (oxygènes, phosphates, chromates, etc.) pour obtenir un composé résistant à la corrosion ou ayant des propriétés particulières (couches dures

d’alumine sur les alliages d’aluminium, phosphatation adaptée au frottement, chromatation, etc.).

Les revêtements et les dépôts constituent un domaine très vaste. Il est possible de citer

à titre d’exemples :

- Les dépôts DLC (Diamond Like Carbon), ce sont des dépôts de carbone dur amorphe élaborés par PVD (Physical Vapor Deposition), faisceaux d’ions, plasmas réactifs ou bien encore par des techniques lasers. Ce type de dépôts présente de très faibles coefficients de frottement notamment sous vide, hydrogène ou oxygène [PAUL 93].

- Les dépôts de nitrure ou carbure (TiN, TiC, etc.) qui présentent des duretés élevées et une grande stabilité chimique. Cependant, leur élaboration nécessite des températures de traitement parfois élevées pour un revêtement TiN, la température lors du traitement est de l’ordre de 450°C, ce qui élimine d’emblée un certain nombre de matériaux.

- Les couches d’oxyde, à titre d’exemple les dépôts d’alumine sont très employés dans l’industrie [LUX 86].

- Les couches de lubrifiant solide : MoS2, PTFE, etc. Les vernis de glissement contenant du MoS2 appliqués sur du Ti-6Al-4V permettent dans des conditions de fretting de réduire l’usure de ce dernier d’un facteur 1000 en atmosphère sèche [BILL 85].

Les traitements « duplex », ce terme désigne des traitements doubles sur une même

surface, par exemple une nitruration suivie d’un revêtement. Ce type de traitement est très utile sur des matériaux relativement mous à l’origine et sur lesquels on veut disposer un revêtement extrêmement dur, il permet d’éviter « l’effet caramel », c’est à dire le craquement d’un revêtement très dur disposé sur une base mole. Akbari a notamment développé ce type de technique sur une base en alliage de titane en appliquant d’abord une nitruration suivie du dépôt d’un revêtement nanocomposite TiN-Ni [AKBA 07].

2.3.2 La nitruration et ses différentes formes

La nitruration est un procédé thermochimique d’enrichissement en azote des zones superficielles d’un matériau. C’est un traitement destiné à améliorer les propriétés de surface, mécanique et chimiques des matériaux, il est le plus souvent utilisé sur les alliages

nitruration a l’avantage de ne pratiquement pas modifier les dimensions géométriques des pièces traitées. De manière générale, la nitruration consiste à plonger des pièces dans un milieu susceptible de céder de l’azote au matériau à traiter, à une température comprise le plus souvent entre 300 et 600°C. A la surface des pièces traitées se forme alors une couche nitrurée qui peut se décomposer en :

- Une couche de combinaison composée de nitrures de fer en extrême surface lorsque le

matériau à traiter est un acier. Cette couche peut varier de 0 à 30µm.

- Une couche de diffusion dont l’épaisseur typique est de quelques dizaines de microns

mais qui peut atteindre jusqu'à 1mm. Dans cette couche, l’azote est en solution interstitielle ou combinée sous forme de nitrures qui peuvent conduire, selon les éléments présents dans le matériau traité à des durcissements très importants.

Le cœur du matériau n’est pas modifié par le traitement de nitruration [GHIG 02]. Les propriétés d’utilisation des pièces ayant subi ce type de traitement sont étroitement liées à la structure réalisée.

Différentes techniques de nitruration existent, ont peut citer par exemple : les nitrurations thermiques classiques, l’implantation ionique d’azote ou bien encore la nitruration au potentiel flottant assistée par plasma.

2.3.2.1 Les nitrurations thermiques classiques

Ces techniques de nitruration sont les plus anciennes, on en compte principalement deux grands types :

- La nitruration en milieu liquide bains de sel par décomposition thermique d’un

cyanure alcalin (potasium ou sodium) à partir de température autour de 500-550°C. Les bains industriels utilisés sont à base de cyanate et de carbonate activés par insufflation d’air pour accélérer le processus de nitruration. Ce traitement permet de former des couches de nitrure de combinaison assez épaisses, mais souvent la couche de diffusion est faible. Le principal inconvénient de cette technique est le traitement des déchets et des effluents [MARO 01].

- La nitruration gazeuse réalisée par transfert des atomes d’azote du gaz ammoniaque

dans le matériau.

Ces techniques de nitruration thermiques ont souvent des durées de traitement qui peuvent être très longues (au dessus de 100 heures) et nécessitent des températures de traitement

minimales élevées 500-600°C, ce qui peut être un inconvénient majeur pour certains matériaux comme les aciers inoxydables par exemple.

2.3.2.2 La nitruration ionique

Dans une enceinte, contenant un mélange gazeux à base d’azote sous une pression de 10 à 1.103 Pa, un plasma est réalisé grâce à une tension continue appliquée entre les parois de l’enceinte de traitement qui font office d’anode et l’échantillon à traiter qui fait office de cathode. Le courant et la tension sont choisis de manière à provoquer une décharge luminescente qui conditionne le départ et l’accélération des électrons libres de l’échantillon métallique vers la surface anodique de l’enceinte. Lorsque ces électrons entrent en collision avec les molécules de gaz proches de la surface de l’échantillon celles-ci s’ionisent et libèrent des électrons de valence qui ionisent d’autres molécules ce qui a pour effet d’augmenter le nombre d’électrons. Le plasma est constitué par l’ensemble de ces molécules ionisées, les ions négatifs formés sont attirés par l’anode et les ions positifs par la cathode. Les ions azote, qui sont majoritairement positifs, sont ainsi attirés par la pièce à traiter, il s’ensuit un processus d’adsorption et suivant les paramètres et le matériau à traiter la formation de nitrure et des phénomènes de diffusion.

Cette technique de nitruration présente comme inconvénient majeur la pulvérisation partielle de la surface à traiter et l’impossibilité de dissocier le traitement de l’échantillon et la création du plasma, ce qui pour des pièces de formes complexes peut conduire à des phénomènes de cathode creuse avec un échauffement local.

2.3.2.3 La nitruration au potentiel flottant assistée par plasma

La technique de nitruration au potentiel flottant permet de créer un plasma déporté c'est-à-dire dissocié des échantillons. Ce qui signifie que le potentiel de la surface des échantillons peut être ajusté par polarisation extérieure ou maintenu au potentiel flottant. Le plasma est créé par l’intermédiaire d’un champ radio fréquence, il n’y a aucune pulvérisation des échantillons, et pas de problèmes d’échauffement locaux. La température est régulée à l’aide d’un four extérieur, c'est-à-dire indépendamment du bombardement ionique contrairement au procédé de nitruration ionique. L’absence de pulvérisation ionique de la

des aciers inoxydables par exemple. Les processus permettant la diffusion de l’azote dans le matériau sont schématisés dans la figure 1.13.

Fig.1.13 Représentation schématique des phénomènes ayant lieu lors de la nitruration au potentiel flottant assistée par plasma

L’intérêt majeur du plasma est de modifier la réactivité du gaz vis à vis de la surface à traiter. Les radicaux et les ions sont dans des états instables, ce qui diminue, en comparaison avec les molécules de gaz, l’énergie d’activation de leur adsorption et de la réaction chimique avec le matériau. Cela a pour effet de [RIVI 05]:

- rendre possible des réactions thermodynamiquement impossibles avec les seules molécules de gaz,

- accélérer la cinématique de croissance des composés formés à une température donnée quand elle est contrôlée par les étapes d’adsorption ou de réaction chimique,

- contrôler la structure, la composition, les contraintes internes,…de ces composés. Sans polarisation de l’échantillon, les phénomènes limités par la diffusion sont assez peu modifiés, sauf si le plasma crée une espèce diffusante qui ne peut être générée par excitation thermique des molécules de gaz adsorbées. La température reste alors un paramètres clef de l’efficacité du traitement.