Technologie de revêtement d'engrenages

La technologie de dépôt PVD est utilisée depuis de nombreuses années comme nouvelle technologie de modification de surface, notamment le revêtement ionique sous vide. Ce procédé a connu un développement important ces dernières années et est désormais largement utilisé dans le traitement des outils, moules, segments de piston, engrenages et autres composants. Les engrenages revêtus par revêtement ionique sous vide permettent de réduire considérablement le coefficient de frottement, d'améliorer la résistance à l'usure et certaines propriétés anticorrosion, et sont devenus un pôle de recherche majeur dans le domaine des technologies de renforcement de surface des engrenages.

Les matériaux couramment utilisés pour les engrenages sont principalement l'acier forgé, l'acier moulé, la fonte, les métaux non ferreux (cuivre, aluminium) et les plastiques. Parmi les aciers, on trouve principalement l'acier 45, le 35SiMn, le 40Cr, le 40CrNi, le 40MnB et le 38CrMoAl. Les aciers à faible teneur en carbone sont principalement utilisés dans les aciers 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB et 20CrMnTo. L'acier forgé est plus largement utilisé pour les engrenages en raison de ses meilleures performances, tandis que l'acier moulé est généralement utilisé pour la fabrication d'engrenages de diamètre supérieur à 400 mm et de structures complexes. Les engrenages en fonte sont antiadhésifs et résistants aux piqûres, mais peu résistants aux chocs et à l'usure. Ils sont principalement destinés à un fonctionnement stable, notamment pour les moteurs à faible vitesse, les moteurs de grandes dimensions et les moteurs de formes complexes. Ils peuvent fonctionner sans lubrification et conviennent aux transmissions ouvertes. Les métaux non ferreux couramment utilisés sont le bronze à l'étain, le bronze à l'aluminium et au fer et les alliages d'aluminium de fonderie. Ils sont fréquemment utilisés dans la fabrication de turbines ou d'engrenages. Cependant, leurs propriétés de glissement et de frottement sont médiocres, réservées aux engrenages à faible charge, moyenne et basse vitesse. Les engrenages en matériaux non métalliques sont principalement utilisés dans des domaines exigeant une lubrification sans huile et une fiabilité élevée, notamment dans les applications à faible pollution, comme les appareils électroménagers, les équipements médicaux, les machines agroalimentaires et les machines textiles.

Matériaux de revêtement d'engrenages

Les matériaux céramiques techniques sont des matériaux extrêmement prometteurs, caractérisés par une résistance et une dureté élevées, une excellente résistance à la chaleur, une faible conductivité thermique et une faible dilatation thermique, ainsi qu'une résistance élevée à l'usure et à l'oxydation. De nombreuses études ont démontré que les matériaux céramiques sont intrinsèquement résistants à la chaleur et présentent une faible usure des métaux. Par conséquent, leur utilisation en remplacement des métaux pour les pièces résistantes à l'usure permet d'améliorer la durée de vie des sous-ensembles de friction, de répondre à certaines exigences élevées en matière de matériaux résistants aux températures élevées et à l'usure, de polyvalence et autres exigences strictes. Actuellement, les matériaux céramiques techniques sont utilisés dans la fabrication de pièces résistantes à la chaleur pour moteurs, de pièces d'usure pour transmissions mécaniques, de pièces résistantes à la corrosion pour équipements chimiques et de pièces d'étanchéité, ce qui témoigne de leurs vastes perspectives d'application.

Les pays développés tels que l'Allemagne, le Japon, les États-Unis, le Royaume-Uni et d'autres pays attachent une grande importance au développement et à l'application des matériaux céramiques techniques, investissant beaucoup d'argent et de main-d'œuvre pour développer la théorie et la technologie de traitement des céramiques techniques. L'Allemagne a lancé un programme baptisé « SFB442 », dont l'objectif est d'utiliser la technologie PVD pour synthétiser un film approprié à la surface des pièces afin de remplacer le lubrifiant potentiellement nocif pour l'environnement et le corps humain. PW Gold et d'autres chercheurs allemands ont utilisé le financement du programme SFB442 pour appliquer la technologie PVD au dépôt de films minces à la surface des roulements. Ils ont constaté que les performances anti-usure des roulements étaient considérablement améliorées et que les films déposés pouvaient remplacer complètement les additifs anti-usure extrême pression. Joachim, Franz et al., en Allemagne, ont utilisé la technologie PVD pour préparer des films WC/C présentant d'excellentes propriétés anti-fatigue, supérieures à celles des lubrifiants contenant des additifs EP, un résultat qui ouvre également la possibilité de remplacer les additifs nocifs par des revêtements. E. Lugscheider et al., de l'Institut des sciences des matériaux de l'Université technique d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, grâce au financement de la DFG (Commission allemande de recherche), ont démontré une augmentation significative de la résistance à la fatigue après le dépôt de films appropriés sur Acier 100Cr6 utilisant la technologie PVD. De plus, General Motors (États-Unis) a commencé à appliquer un film de surface pour engrenages sur sa Volvo S80 Turbo afin d'améliorer la résistance aux piqûres de fatigue ; la célèbre société Timken a lancé le film de surface pour engrenages ES200 ; le revêtement pour engrenages MAXIT, marque déposée, est apparu en Allemagne ; les marques déposées Graphit-iC et Dymon-iC sont également disponibles au Royaume-Uni.

En tant que pièces détachées essentielles des transmissions mécaniques, les engrenages jouent un rôle crucial dans l'industrie. Il est donc essentiel d'étudier l'application des matériaux céramiques aux engrenages. Actuellement, les principales céramiques techniques utilisées pour les engrenages sont les suivantes :

1. Couche de revêtement TiN
1、TiN

La couche céramique TiN à revêtement ionique est l'un des revêtements de surface modifiés les plus utilisés, offrant une dureté élevée, une forte adhérence, un faible coefficient de frottement et une bonne résistance à la corrosion. Largement utilisée dans divers domaines, notamment dans l'outillage et le moulage, elle est également utilisée. Le principal obstacle à l'application de revêtements céramiques sur les engrenages est le problème d'adhérence entre le revêtement et le substrat. Les conditions de fonctionnement et les facteurs d'influence des engrenages étant bien plus complexes que ceux des outils et des moules, l'application d'un seul revêtement TiN sur les surfaces d'engrenages est fortement limitée. Bien que le revêtement céramique présente les avantages d'une dureté élevée, d'un faible coefficient de frottement et d'une bonne résistance à la corrosion, il est fragile et difficile d'obtenir un revêtement plus épais. Il nécessite donc un substrat de haute dureté et de haute résistance pour le supporter afin de déployer pleinement ses propriétés. Par conséquent, le revêtement céramique est principalement utilisé pour les surfaces en carbure et en acier rapide. Le matériau de l'engrenage est plus tendre que la céramique, et la différence entre la nature du substrat et celle du revêtement est importante. La combinaison du revêtement et du substrat est donc médiocre, et le revêtement ne suffit pas à le soutenir, ce qui facilite son décollement à l'usage. Non seulement le revêtement céramique ne peut pas exploiter pleinement les avantages du revêtement céramique, mais les particules de revêtement qui se détachent provoquent une usure abrasive de l'engrenage, accélérant ainsi sa perte. La solution actuelle consiste à utiliser une technologie de traitement de surface composite pour améliorer l'adhérence entre la céramique et le substrat. Cette technologie combine un dépôt physique en phase vapeur et d'autres procédés de traitement de surface, utilisant deux surfaces/sous-surfaces distinctes pour modifier la surface du substrat et obtenir des propriétés mécaniques composites impossibles à obtenir par un seul traitement de surface. Le revêtement composite TiN déposé par nitruration ionique et PVD est l'un des revêtements composites les plus étudiés. Le substrat nitruré plasma et le revêtement composite céramique TiN offrent une forte adhérence et une résistance à l'usure considérablement améliorée.

L'épaisseur optimale d'une couche de TiN offrant une excellente résistance à l'usure et une excellente adhérence est d'environ 3 à 4 μm. Une épaisseur inférieure à 2 μm n'améliorera pas significativement la résistance à l'usure. Une épaisseur supérieure à 5 μm diminuera l'adhérence.

2、Revêtement TiN multicouche et multicomposant

Avec l'application progressive et généralisée des revêtements TiN, de plus en plus de recherches sont menées pour améliorer et optimiser ces revêtements. Ces dernières années, des revêtements multicomposants et multicouches ont été développés à partir de revêtements TiN binaires, tels que Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. L'ajout d'éléments tels que Al et Si aux revêtements TiN permet d'améliorer leur résistance à l'oxydation à haute température et leur dureté, tandis que l'ajout d'éléments tels que B peut améliorer leur dureté et leur adhérence.

En raison de la complexité de la composition multicomposant, cette étude suscite de nombreuses controverses. Les résultats de l'étude des revêtements multicomposants (Tix,Cr1-x)N sont très controversés. Certains pensent que les revêtements (Tix,Cr1-x)N sont à base de TiN et que le Cr ne peut exister que sous forme de solution solide de remplacement dans la matrice de points TiN, et non sous forme de phase CrN distincte. D'autres études montrent que le nombre d'atomes de Cr remplaçant directement les atomes de Ti dans les revêtements (Tix,Cr1-x)N est limité, et que le Cr restant existe à l'état singulet ou forme des composés avec N. Les résultats expérimentaux montrent que l'ajout de Cr au revêtement réduit la taille des particules de surface et augmente la dureté. La dureté du revêtement atteint sa valeur maximale lorsque le pourcentage massique de Cr atteint 31 %, mais la contrainte interne du revêtement atteint également sa valeur maximale.

3、Autre couche de revêtement

En plus des revêtements TiN couramment utilisés, de nombreuses céramiques techniques différentes sont utilisées pour renforcer la surface des engrenages.

(1) Y. Terauchi et al. (Japon) ont étudié la résistance à l'usure par frottement d'engrenages en céramique de carbure de titane ou de nitrure de titane déposés par dépôt en phase vapeur. Les engrenages ont été cémentés et polis pour obtenir une dureté de surface d'environ HV720 et une rugosité de 2,4 µm avant revêtement. Les revêtements céramiques ont été préparés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour le carbure de titane et par dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour le nitrure de titane, avec une épaisseur de film céramique d'environ 2 µm. Les propriétés d'usure par frottement ont été étudiées respectivement en présence d'huile et de frottement sec. Il a été constaté que la résistance au grippage et aux rayures de l'étau à engrenages était considérablement améliorée après revêtement en céramique.

(2) Un revêtement composite de Ni-P et de TiN revêtus chimiquement a été préparé en pré-revêtant du Ni-P comme couche de transition, puis en déposant du TiN. L'étude montre que la dureté de surface de ce revêtement composite a été améliorée dans une certaine mesure, que le revêtement adhère mieux au substrat et présente une meilleure résistance à l'usure.

(3) Film mince WC/C, B4C
Français M. Murakawa et al., Département de génie mécanique, Institut japonais de technologie, ont utilisé la technologie PVD pour déposer une fine couche de WC/C sur la surface des engrenages, et sa durée de vie était trois fois supérieure à celle des engrenages trempés et rectifiés ordinaires dans des conditions de lubrification sans huile. Franz J et al. ont utilisé la technologie PVD pour déposer une fine couche de WC/C et de B4C sur la surface des engrenages FEZ-A et FEZ-C, et l'expérience a montré que le revêtement PVD réduisait considérablement le frottement de l'engrenage, rendait l'engrenage moins sensible au collage à chaud ou au collage, et améliorait la capacité de charge de l'engrenage.

(4) Films CrN
Français Les films CrN sont similaires aux films TiN en ce qu'ils ont une dureté plus élevée, et les films CrN sont plus résistants à l'oxydation à haute température que TiN, ont une meilleure résistance à la corrosion, des contraintes internes plus faibles que les films TiN et une ténacité relativement meilleure. Chen Ling et ont préparé un film composite TiAlCrN/CrN résistant à l'usure avec une excellente liaison à base de film sur la surface du HSS, et ont également proposé la théorie de l'empilement de dislocations du film multicouche, si la différence d'énergie de dislocation entre deux couches est grande, la dislocation se produisant dans une couche aura du mal à traverser son interface dans l'autre couche, formant ainsi l'empilement de dislocations à l'interface et jouant le rôle de renforcement du matériau. Zhong Bin et ont étudié l'effet de la teneur en azote sur la structure de phase et les propriétés d'usure par frottement des films CrNx, et l'étude a montré que le pic de diffraction Cr2N (211) dans les films s'affaiblissait progressivement et le pic CrN (220) augmentait progressivement avec l'augmentation de la teneur en N2, les grosses particules à la surface du film diminuaient progressivement et la surface avait tendance à être plate. Lorsque l'aération N2 était de 25 ml/min (le courant d'arc de la source cible était de 75 A, le film CrN déposé a une bonne qualité de surface, une bonne dureté et une excellente résistance à l'usure lorsque l'aération N2 était de 25 ml/min (le courant d'arc de la source cible était de 75 A, la pression négative était de 100 V).

(5) Film super dur
Les films extra-durs sont des films solides présentant une dureté supérieure à 40 GPa, une excellente résistance à l'usure, une résistance aux températures élevées et un faible coefficient de frottement et de dilatation thermique. Il s'agit principalement de films de diamant amorphe et de films CN. Les films de diamant amorphe présentent des propriétés amorphes, une absence de structure ordonnée à longue portée et contiennent un grand nombre de liaisons tétraédriques CC ; on les appelle donc films de carbone amorphe tétraédrique. En tant que film de carbone amorphe, le revêtement de type diamant (DLC) présente de nombreuses propriétés similaires à celles du diamant, telles qu'une conductivité thermique élevée, une dureté élevée, un module d'élasticité élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne stabilité chimique, une bonne résistance à l'usure et un faible coefficient de frottement. Il a été démontré que le revêtement de films de type diamant sur les surfaces d'engrenages peut multiplier par six la durée de vie et améliorer significativement la résistance à la fatigue. Les films CN, également appelés films amorphes carbone-azote, ont une structure cristalline similaire à celle des composés covalents β-Si3N4 et sont également connus sous le nom de β-C3N4. Liu et Cohen et al. Des calculs théoriques rigoureux ont été effectués à l'aide de calculs de bande pseudopotentielle à partir du principe de la première nature, et ont confirmé que le β-C3N4 a une grande énergie de liaison, une structure mécanique stable, au moins un état sous-stable peut exister et son module d'élasticité est comparable à celui du diamant, avec de bonnes propriétés, ce qui peut améliorer efficacement la dureté de surface et la résistance à l'usure du matériau et réduire le coefficient de frottement.

(6) Autre couche de revêtement résistant à l'usure en alliage
Certains revêtements résistants à l'usure en alliage ont également été testés sur les engrenages. Par exemple, le dépôt d'une couche d'alliage Ni-P-Co sur la surface des dents des engrenages en acier 45# permet d'obtenir une granulométrie ultra-fine, ce qui peut prolonger la durée de vie jusqu'à 1,144 à 1,533 fois. Il a également été étudié que l'application d'une couche métallique de Cu et d'un revêtement en alliage Ni-W sur la surface des dents des engrenages en fonte Cu-Cr-P améliore leur résistance ; l'application de revêtements en alliage Ni-W et Ni-Co sur la surface des dents des engrenages en fonte HT250 améliore la résistance à l'usure de 4 à 6 fois par rapport aux engrenages non revêtus.