Brevet FR2428682A1 — publié le 19800111

La présente invention concerne un procédé de conditionnement de surface par superposition d'un traitement de diffusion et d'une couche adsorbée, ainsi que la surface obtenue par la mise en oeuvre du procédé. Dans beaucoup de cas où la surface de pièces mécaniques est soumise à l'agression du milieu extérieur, telle qu'une usure par frottement avec un autre corps solide, ou une érosion par de la vapeur chargée de gouttelettes d'eau, ou une cavitation par implosion de bulles de gaz et de vapeur, ou toute autre cause imaginable, on a déjà relevé l'importance des phénomènes d'adsorption. C'est par exemple en.fonction de ces connatesan- ces qu'on a imaginé de charger les lubrifiants en molécules polaires susceptibles de s'adsorber, tout au moins sur certains sites préférentiels. C'est ainsi qu'un acide gras, tel que l'acide stéarique, ou certains savons, tels que les laurates, forment par adsorption à la surface d'une pièce un matelas de molécules polaires longues, fixées à la surface métallique par une de leurs extrémités. Jusqu'ici, ces connaissances n'avaient été exploitées que par des réalisations partielles qui visaient pour la plupart à mélanger des molécules aisément adsorbables au fluide baignant les pièces et à multiplier à la surface de celles-ci le nombre de sites préférentiels. Ainsi en o- tait-il par exemple des molécules polaires d'un lubrifiant et des couches graphitées ou phosphatées. Les limites de ces solutions connues sont de deux ordres : - d'une part, la présence de molécules polaires dans le lubrifiant est nécessaire - d'autre part, la fonction adsorbante de la surface est limitée dans le temps par la consommation de la couche (et c'est le cas des phosphates) et dans son intensité par des facteurs physico-chimiques tels que l'énergie de surfaces. La présente invention a pour but de réaliser un traitement de surface qui pallie ces inconvénients en permettant - d'une part de ne pas limiter ses effets bénéfiques à la présence éventuelles de molécules polaires dans un lubrifiant, mais de maintenir son efficacité dans n'importe quelfluide d'ambiance tel qu. vapeur d'eau chargée de gouttelettes - d'autre part d'obtenir un effet adsorbant des dizaines de fois plus fort et des dizaines d fois plus rémanant. Un procédé de condi donnement de surface suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il présente, en combinaison, les caractéristiques suivantes - on forme à la surface de la pièce une couche composite dont une partie règne en deçà de la surface d'origine et dont une autre partie est édifiée au-delà de la surface d'origine - la partie du traitement qui règne en deçà de la surface d'origine est obtenue par diffusion d'un hétéro-élément dans la structure d'origine, ladite diffusion présentant, de la surface d'origine vers l'intérieur, un gradient négatif de concentration pour aboutir à une saturation en surface, le résultat étant l'apparition en surface d'un corps de structure hexagonale ou hexagonale compacte, l'indice de dureté de ce composé hexagonal ou hexagonal compact obtenu superficiellement étant supérieur à 420 HV 25 - la surface de cette couche obtenue par diffusion présente des porosités dont les dimensions moyennes sont comprises entre 0,5 et 2 microns, cette couche poreuse étant d'une épaisseur supérieure à 2 microns - la partie de la couche composite qui est édifiée au-delà de la surface d'origine comprend au moins un corps à structure lamellaire dont la dureté dans l'échelle de Nohs n'excède pas 1,5, ce corps cristallisant dans le système hexagonal tandis que, de chaque noeud, partent quatre liaisons, à savoir trois liaisons égales entre elles et une quatrième liaison au plus égale au cinquième des autres. Les effets adsorbants d'une surface conditionnée suivant l'invention vis-à-vis du fluide ambiant, et les résultats obtenus dans la résistance au vieillissement par érosion, chocs, frottement-corrosion, abrasion fine et autres sont multipliés dans des proportions étonnantes et permettent, pour la première fois, de résister longuement à ces formes fréquentes de vieillissement contre lesquelles on ne connaissait jusqu'ici que des solutions partielles très onéreuses. Les exemples donnés ci-dessous à titre non limitatif permetiront de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Premier exemPle On sait que les derniers étages d'une turbine à vapeur travaillant dans un fluide déjà détendu et refroidi sont soumis à une érosion par les fines gouttelettes d'eau qui ont commencé à se condenser. On a actuellement le choix entre deux solutions. La première consiste en des durcissements de l'acier de l'aubage, tels que ceux obtenus par trempe à haute fréquence, mais qui ne donnent pas satisfaction à l'usure par érosion. La deuxième solution réside dans l'emploi de matériaux de rechargement tels que les stellites, qui sont relativement onére-i. Dans le traitement de surface de l'aubage en acier selon l'invention, celui-ci est d'abord traité dans un bain de sels sulfonitrurants. Ce bain introduit par diffusion, dans le premier centimètre de la surface de l'a cier, la phase # (epsi@ @) du dia@ramme fer-azote sous forme de nitrur de co@position To3N et cristallisés dans le système hexagonal. On obser d'autre part en coupe et en surface des pièces de fines porosités dans proportion de 25% en volume. Sur la surface ainsi traitée, on dépose en suite par projection du bisulfure de molybdène, corps à structure hexag nle feuilletée dort l'association avec la couche de nitrure de @er Pe3 conduit bien à une couche composite conforme à l'invention. Les effets adsorbants d'une telle couche selon l'invention sont t qu'il s'établit une couche adsorbée jouant alors suffisamment un rôle d matelas pour amortir le choc des @outtelettes d'eau véhiculées par la v peur déjà détendue. On constate une amélioration des aubages ainsi traités dans leur tenue à l'usure par érosion. L'amélioration est de plus de 50 fois par rapport des aubades en acier allié. Deuxième exemple Un certain nombre de paliers, tels que les paliers de vérins, de dets de pelles mécanique, de poulies, et autres, périssent rapidement p une usure due à des contraintes élevées, à des chocs, ou à des ambiance abrasives. Des coussinets en acier réalises selon l'invention subissent un t tement de diffusion en bain de sels nitrurants de façon à & former en sur face la phase hexagonale compacte # (epsilon) Fe3H du diagramme fer-az sur une épaisseur de 6 microns, d'un indice de microdureté supérieur à 800 HV 0,015 et occasionnant des contraintes résiduelles de compression dépassant 300 H/mm2. On observe d'autre part, en coupe micrographique, d porosités représentant 30% de la surface. La surface de la pièce est en suite revêtue de bisulfure de molybdène, composé hexagonal lamellaire q associé à la couche de nitrure Fe3N, conduit à une couche de nature com posite répondant aux critères de l'invention. Ces coussinets et acier, montée sur des articulations de bras et sur des extrémités de vérins de chargeuses fonctionnant face à des axes acier allié trempé superficiellement, chromé dur, ont permis de multip] par six la durée de vie des articulations par rapport à des bagues en ] ton à haute résitance. Troisiè@e exemple Dans ce-tains cas, la liaison entre le di sque et les ailettes d't turbine est assurée par des broches cylindriques en acier fortement all et à hautes caractéristiques mécaniques. Suivant l'invention, ces broches sont conditionnées de façon que, dans un premier temps, on réalise par dépôt d'étain, puis par diffusion en phase gazeuse dans les premiers microns de la sur@ace,la phase hexagenale Fe-Sn du diagramme fer-étain permettant d'obtenir un indice de dureté superficieile de 650 - 700 NV 0,015.Cette couche, d'une paisseur @lobale de 8 miorons, présente superficiellement de fines porosités, de dinensions moyennes comprises entre 0,5 et 2 microns. Dans un deuxième temps, cette couche de diffusion est revêtue de MoS2 , composé hexagonal laellaire, de façon à former une couche composite à deux constituants dont les structures sont conformes à celles précédemment décrites. La superposition de ces deux revêtements apporte conjointement - un accfoissement très sensible de la dureté auperficielle de la pièce permettant une bonne résistance aux sollicitations mécaniques par la présence de la couche de combinaison - une très bonne résistance au grippage à sec lors de la ise en pla- ce ou du démontage des ailettes - une très bonne résistance à la corrosion et au "fretting-corro- sion", ou frottement-corrosion. Les broches ainsi conditionnées permettent le montage et le démon- tage des ailettes sans aucun problème de grippage. Après plusieurs @illi@rs d'heures de fonctionnenent, -les broches sont exemptes de toute trace de corrosion. a 4-E1iDICATIONS 1. Procédé de conditionnement de surface consistant en une superposition d'un traitement de diffusion d'un hétéro-élément et d'un traitement par dépôt d'une couche adsorbée, dans des conditions qui permettent d'obtenir une couche composite dont une partie, obtenue par diffusion de l'hétéro-élément dans la structure d'origine, règne en deçà de la surface d'o- rigine et dont une autre partie est édifiée au-delà de la surface d'origine, caractérisé en ce que les conditions d'obtention de la couche composite sont les suivantes - la diffusion de l'hétéro-élément dans la structure d'origine présente, de la surface d'origine vers l'intérieur, un gradient négatif de concentration pour aboutir à une saturation en surface, le résultat étant l'apparition en surface d'un corps de structure hexagonale ou hexagonale compacte, l'indice de dureté de ce composé hexagonal ou hexagonal compact obtenu superficiellement étant supérieur à 420 11V 25 - la surface de cette couche obtenue par diffusion présente des porosités dont les dimensions moyennes sont comprises entre 0,5 et 2 microns, cette couche poreuse étant d'une épaisseur supérieure à 2 microns ; - la partie de la couche composite qui est édifiée au-delà de la surface d'origine comprend au moins un corps à structure lamellaire dont la dureté dans l'échelle de Mohs n'excède pas 1,5, ce corps cristallisant dans le système hexagonal tandis que, de chaque noeud, partent quatre liaisons, à savoir trois liaisons égales entre elles et une quatrième liaison au plus égale au cinquième des autres. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de diffusion s'effectue dans un bain de sels sulfonitrurants, de mani ère à introduire par diffusion dans le premier centimètre de la surface d'acier d'origine la phase t (epsilon) du diagramme fer-azote sous forme de nitrures de composition Fe3N et cristallisés dans le système hexagonal. 3. Procédé suivant la revendication i, caractérisé en ce que le traitement de diffusion s'effectue dans un bain de sels nitrurants, de façon à former en surface la phase hexagonale compacte C (epsilon) du diagramme fer-azote sous forme de nitrures de composition Fe3. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de diffusion s'effectue par dépôt d'étain, puis par diffusion en phase gazeuse de façon à former en surface la phase hexagonale du diagramme fer-étain. 5. Surface obtenue par la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comportant une couche composite dont une partie, située en de çà de la surface d'origine, est constituée par diffusion et dont une autre partie est située au-delà de la surface d'origine, et caractérisée en ce que cette couche composite présente les propriétés suivantes - la diffusion est réalisée suivant un gradient négatif de concentration de la surface d'origine vers l'intérieur, un corps de structure hexagonale ou hexagonale compacte et d'un indice de dureté supérieur à 420 HV 25 apparaissant en surface, et cette partie, qui présente des porosités dont les dimensions moyennes sont comprises entre 0,5 et 2 microns, est d'une épaisseur supérieure à 2 microns - la partie située au-delà de la surface d'origine comprend au moins un corps dont l'indice de dureté n'excède pas 1,5 dans l'échelle de Mous, qui cristallise dans le système hexagonal, et comportant une structure lamellaire telle que, de chaque noeud, partent quatre liaisons, à savoir trois liaisons égales entre elles et une quatrième liaison égale au plus au cinquième des autres. 6. Surface suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le corps de structure hexagonale compacte est constitué par la phase hexagonale Fe-Sn du diagramme fer-étain.