technologie de revêtement des engrenages

La technologie de dépôt PVD est utilisée depuis de nombreuses années comme technique de modification de surface, notamment le revêtement ionique sous vide, qui a connu un développement important ces dernières années et est désormais largement employé pour le traitement des outils, moules, segments de piston, engrenages et autres composants. Les engrenages revêtus par cette technologie permettent de réduire significativement le coefficient de frottement, d'améliorer la résistance à l'usure et la protection contre la corrosion, et constituent un axe de recherche majeur dans le domaine du renforcement des surfaces d'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 matières plastiques. L'acier utilisé est principalement l'acier 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB et 38CrMoAl. Les aciers à faible teneur en carbone sont principalement les 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 structure complexe. Les engrenages en fonte présentent une bonne résistance à la corrosion et à la corrosion par piqûres, mais une faible résistance aux chocs et à l'usure. Ils sont principalement utilisés pour un fonctionnement stable, à des vitesses élevées, ou pour des engrenages de grande taille ou de forme complexe, pouvant fonctionner sans lubrification, et conviennent aux transmissions ouvertes. Les métaux non ferreux couramment utilisés sont le bronze à l'étain, le bronze d'aluminium-fer et les alliages d'aluminium moulés. Ils servent fréquemment à la fabrication de turbines et d'engrenages, mais leurs propriétés de glissement et d'antifriction sont médiocres, les limitant aux engrenages soumis à des charges légères ou moyennes et à des vitesses de rotation faibles. Les engrenages en matériaux non métalliques sont principalement utilisés dans des domaines exigeants, tels que la lubrification sans huile et une grande fiabilité. On les retrouve notamment dans des environnements peu polluants, comme les appareils électroménagers, les équipements médicaux, les machines agroalimentaires et les machines textiles.

Matériaux de revêtement pour 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 un faible coefficient de 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 par rapport aux métaux. Par conséquent, l'utilisation de matériaux céramiques à la place des métaux pour les pièces d'usure permet d'améliorer la durée de vie des systèmes de friction et de répondre aux exigences élevées en matière de résistance à la chaleur et à l'usure, ainsi qu'aux applications multifonctionnelles. Actuellement, les matériaux céramiques techniques sont utilisés dans la fabrication de pièces de moteurs résistantes à la chaleur, de pièces de transmission mécanique résistantes à l'usure, de pièces d'équipements chimiques résistantes à la corrosion et de pièces d'étanchéité, ce qui témoigne de l'essor de leurs applications.

Les pays développés tels que l'Allemagne, le Japon, les États-Unis, le Royaume-Uni et d'autres accordent 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 le programme « SFB442 », dont l'objectif est d'utiliser la technologie PVD pour synthétiser un film adapté à la surface des pièces, en remplacement des lubrifiants potentiellement nocifs pour l'environnement et la santé humaine. PW Gold et ses collaborateurs en Allemagne ont utilisé le financement du SFB442 pour appliquer la technologie PVD au dépôt de films minces sur la surface des roulements. Ils ont constaté une amélioration significative des performances anti-usure des roulements et que les films déposés pouvaient remplacer intégralement les additifs anti-usure extrême pression. Joachim, Franz et leurs collègues, également 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. Ce résultat ouvre également la voie au remplacement des additifs nocifs par des revêtements. E. Lugscheider et ses collègues de l'Institut des sciences des matériaux de l'Université technique d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, avec un financement de la DFG (Commission allemande pour la recherche), ont démontré une augmentation significative de la résistance à la fatigue après le dépôt de films appropriés sur de l'acier 100Cr6. La technologie PVD. De plus, General Motors aux États-Unis a commencé à utiliser un film de dépôt sur la surface des engrenages de sa Volvo S80 Turbo afin d'améliorer leur résistance à la corrosion par piqûres ; la célèbre société Timken a lancé le film de revêtement pour engrenages ES200 ; le revêtement pour engrenages MAXIT, marque déposée, est apparu en Allemagne ; les revêtements pour engrenages Graphit-iC et Dymon-iC, marques déposées, sont également disponibles au Royaume-Uni.

Les engrenages, pièces de rechange essentielles des transmissions mécaniques, jouent un rôle primordial dans l'industrie. L'étude de l'application des matériaux céramiques aux engrenages revêt donc une importance pratique considérable. Actuellement, les céramiques techniques utilisées pour les engrenages sont principalement les suivantes :

1. Couche de revêtement en TiN
1. TiN

Le revêtement céramique TiN par dépôt ionique est l'un des revêtements de surface les plus utilisés. Il se distingue par sa dureté élevée, son excellente adhérence, son faible coefficient de frottement et sa bonne résistance à la corrosion. Son utilisation est répandue dans divers domaines, notamment dans l'outillage et la fabrication de moules. Le principal obstacle à l'application de ce revêtement sur les engrenages réside dans l'adhérence entre le revêtement et le substrat. Les conditions de fonctionnement et les facteurs influençant le comportement des engrenages étant bien plus complexes que ceux des outils et des moules, l'application d'un revêtement TiN unique 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, sa fragilité et la difficulté à obtenir une épaisseur importante nécessitent un substrat de haute dureté et de haute résistance pour lui permettre d'exprimer pleinement ses propriétés. C'est pourquoi le revêtement céramique est principalement utilisé sur les surfaces en carbure et en acier rapide. Le matériau des engrenages est tendre comparé à la céramique, et la différence de nature entre le substrat et le revêtement est importante. De ce fait, l'adhérence entre le revêtement et le substrat est faible, et le revêtement ne suffit pas à assurer un support suffisant. Il a donc tendance à se détacher facilement en cours d'utilisation, ce qui compromet les avantages du revêtement céramique. De plus, les particules de revêtement céramique détachées provoquent une usure abrasive des engrenages, accélérant ainsi leur usure. 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 le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et d'autres procédés de traitement de surface, en modifiant la surface du substrat sur deux surfaces/sous-surfaces distinctes afin d'obtenir des propriétés mécaniques composites inaccessibles par un seul procédé. Le revêtement composite TiN déposé par nitruration ionique et PVD est l'un des revêtements composites les plus étudiés. Le substrat nitruré au plasma et le revêtement composite céramique TiN présentent une forte adhérence et une résistance à l'usure nettement améliorée.

L'épaisseur optimale de la couche de TiN, garantissant une excellente résistance à l'usure et une bonne adhérence au substrat, est d'environ 3 à 4 µm. En dessous de 2 µm, la résistance à l'usure ne s'améliore pas significativement. Au-delà de 5 µm, l'adhérence au substrat est compromise.

2. Revêtement TiN multicouche et multicomposant

Avec l'application progressive et généralisée des revêtements TiN, les recherches visant à les améliorer se multiplient. Ces dernières années, des revêtements multicomposants et multicouches ont été développés à partir de revêtements binaires TiN, tels que Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N et TiN/Al2O3. L'ajout d'éléments comme l'aluminium et le silicium aux revêtements TiN permet d'améliorer leur résistance à l'oxydation à haute température et leur dureté, tandis que l'ajout d'éléments comme le bore améliore leur dureté et leur adhérence.

En raison de la complexité de la composition multicomposante, cette étude est sujette à de nombreuses controverses. L'étude des revêtements multicomposants (Tiₓ,Cr₁₋ₓ)N présente des résultats de recherche très divergents. Certains estiment que ces revêtements sont à base de TiN et que le chrome ne peut exister que sous forme de solution solide de substitution dans la matrice de points de TiN, et non sous forme de phase CrN distincte. D'autres études montrent que le nombre d'atomes de chrome remplaçant directement les atomes de titane dans les revêtements (Tiₓ,Cr₁₋ₓ)N est limité, le chrome restant existant à l'état singulet ou formant des composés avec l'azote. Les résultats expérimentaux indiquent que l'ajout de chrome au revêtement réduit la taille des particules en surface et augmente la dureté. Cette dernière atteint sa valeur maximale pour une teneur en chrome de 31 %, mais les contraintes internes du revêtement atteignent également leur valeur maximale.

3. Autre couche de revêtement

Outre les revêtements en TiN couramment utilisés, de nombreuses céramiques techniques différentes sont utilisées pour le renforcement des surfaces d'engrenages.

(1) Y. Terauchi et al. (Japon) ont étudié la résistance à l'usure par frottement d'engrenages en céramique de carbure ou de nitrure de titane, déposés par dépôt en phase vapeur. Les engrenages ont été cémentés et polis afin d'obtenir une dureté superficielle d'environ HV720 et une rugosité de 2,4 μm avant le 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 en présence d'huile et en frottement sec. Il a été constaté que la résistance au grippage et la résistance aux rayures de l'engrenage étaient nettement améliorées après le revêtement céramique.

(2) Un revêtement composite de Ni-P et de TiN, déposés chimiquement, a été préparé par pré-dépôt d'une couche de transition de Ni-P, suivie du dépôt de TiN. L'étude montre que la dureté superficielle de ce revêtement composite est améliorée, que l'adhérence au substrat est meilleure et que la résistance à l'usure est accrue.

(3) Couche mince WC/C, B4C
M. Murakawa et al., du département de génie mécanique de l'Institut de technologie du Japon, ont utilisé la technologie PVD pour déposer un film mince de WC/C sur la surface d'engrenages. La durée de vie de ce film était trois fois supérieure à celle d'engrenages ordinaires trempés et rectifiés, en conditions de lubrification sans huile. Franz J. et al. ont utilisé la technologie PVD pour déposer des films minces de WC/C et de B₄C sur la surface d'engrenages FEZ-A et FEZ-C. L'expérience a montré que le revêtement PVD réduisait significativement le frottement des engrenages, les rendait moins sensibles au collage à chaud ou au collage traditionnel, et améliorait leur capacité de charge.

(4) Films de CrN
Les films de CrN présentent des similitudes avec les films de TiN, notamment une dureté supérieure. Ils sont également plus résistants à l'oxydation à haute température, à la corrosion et possèdent des contraintes internes plus faibles, ainsi qu'une ténacité relativement meilleure. Chen Ling et al. ont préparé un film composite TiAlCrN/CrN résistant à l'usure, présentant une excellente adhésion à la surface d'un acier rapide (HSS). Ils ont également proposé la théorie de l'empilement des dislocations dans les films multicouches. Selon cette théorie, si la différence d'énergie de dislocation entre deux couches est importante, les dislocations présentes dans une couche auront des difficultés à traverser son interface pour atteindre l'autre couche. Il en résulte la formation d'un empilement de dislocations à l'interface, qui renforce le matériau. Zhong Bin et al. ont étudié l'influence de la teneur en azote sur la structure de phase et les propriétés d'usure par frottement des films de CrN_x. Leurs résultats montrent que l'intensité du pic de diffraction Cr₂N (211) diminue progressivement tandis que celle du pic CrN (220) augmente. De plus, la taille des particules à la surface du film diminue et la surface tend à devenir plus plane. 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 présentait 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 superdurs sont des films solides présentant une dureté supérieure à 40 GPa, une excellente résistance à l'usure et aux hautes températures, ainsi qu'un faible coefficient de frottement et un faible coefficient de dilatation thermique. Il s'agit principalement de films de diamant amorphe et de films CN. Les films de diamant amorphe possèdent des propriétés amorphes, sont dépourvus de structure ordonnée à longue portée et contiennent un grand nombre de liaisons tétraédriques CC ; ils sont donc également appelés films de carbone amorphe tétraédrique. En tant que type de film de carbone amorphe, le revêtement de type diamant (DLC) possède de nombreuses propriétés remarquables 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 surfaces d'engrenages avec des films de type diamant peut multiplier leur durée de vie par six et améliorer significativement leur résistance à la fatigue. Les films CN, également connus sous le nom de films de carbone-azote amorphes, possèdent une structure cristalline similaire à celle des composés covalents β-Si₃N₄ et sont également appelés β-C₃N₄. Liu et Cohen et al. Des calculs théoriques rigoureux, utilisant des calculs de bandes de pseudopotentiel à partir du principe de la première nature, ont confirmé que le β-C3N4 possède une grande énergie de liaison, une structure mécanique stable, qu'au moins un état sous-stable peut exister et que 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 d'alliage résistants à l'usure ont été testés sur les engrenages. Par exemple, le dépôt d'une couche d'alliage Ni-P-Co sur la surface des dents d'engrenages en acier 45# permet d'obtenir une structure à grains ultrafins, ce qui peut prolonger leur durée de vie de 1,144 à 1,533 fois. Il a également été étudié que l'application d'une couche de cuivre et d'un revêtement d'alliage Ni-W sur la surface des dents d'engrenages en fonte Cu-Cr-P améliore leur résistance. Enfin, l'application d'un revêtement d'alliage Ni-W et Ni-Co sur la surface des dents d'engrenages en fonte HT250 améliore leur résistance à l'usure de 4 à 6 fois par rapport à un engrenage non revêtu.