Brevet FR2532954A1 — publié le 19840316

La présente invention concerne un procédé de traitement de pièces métalliques, notamment en aluminium, fer, cuivre ou un des alliages de ces métaux pour améliorer les propriétés de dureté et de frottement desdites pièces, par dépôt d'un revêtement métallique sur lesdites pièces. On connaît déjà en particulier un procédé permettant de durcir des alliages par précipitation, procédé dans lequel on crée dans l'édifice cristallin de l'alliage des dislocations qui sont ensuite bloquées. On connaît également différents procédés pour recouvrir des pièces métalliques d'un revêtement métallique durcissant. Néanmoins, aucun des procédés connus n'est entièrement satisfaisant notamment du fait qu'aucun de ceux-ci ne permet de conférer de plus auxdits alliages des pro prêtés de frottement améliorées. La présente.invention a donc pour but de créer un procédé de traitement de pièces métalliques, par dépit d'un revêtement métallique dur et résistant à l'usure et susceptible d'autre part de conférer à certains alliages qui en sont dépourvus des propriétés de frottement élevées ou à d'autres alliages des propriétés de frottement plus élevées que leurs propriétés propres. La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement de pièces métalliques, notamment en aluminium, fer, cuivre ou un dea alliages de ces métaux, pour améliorer les propriétés de dureté et de frottement desdites pièces9 du type comprenant le dépit dVun revêtement métallique- sur lesdites pièces, caractérisé en ce que ledit dépit comprend essentiellement du nickel et du titane dans la proportion de 3 atomes de nickel pour 1 atome de titane, et est effectué dans des conditions de température telles que l'on obtienne du Ni Ti en phase hexagonale. Il apparaît en effet qu'une structure hexagonale telle que celle ainsi obtenue pour Ni3 Ti est particuliè- rement favorable en ce qui concerne les propriétés de frottement des pièces ainsi traitées, tant du point de vue du coefficient de frottement que de la résistance à l'usure. Le dépôt de Ni3Ti assure de plus de bonnes propriétés de dureté auxdites pièces. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dépôt précité est obtenu soit par pulvérisation cathodique, soit par évaporation sous vide, puis traitement thermique à une température comprise entre 400 et 8000C; les pièces métalliques précitées pouvant être également chauffées à une température comprise entre 400 et 8000 C. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour le traitement de pièces en aluminiumXou en An de ses alliages, le traitement thermique du dépôt précité est combiné avec le traitement thermique desdites pièces. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, pour le traitement des pièces en acier ou en alliage de cuivre, avant le dép8t précité, on pulvérise un métal tel que notamment le silicium, le chrome ou l'aluminium susceptible de former un écran à la diffusion du nickel dans le cuivre ou le fer. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour le traitement des pièces en acier, le traitement thermique du dépôt précité est combiné avec le traitement thermique des pièces en acier sur lesquelles il est posé. De préférence, le traitement thermique précité est effectué à environ 5000C pendant environ I heure. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa raieront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre,faite en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un exemple de dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de dépôt de l'alliage nickel-titane selon l'invention, par pulvérisation cathodique en mode diode; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un dispositif semblable à celui de la figure 1 avec une cathode du type magnétron; - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un exemple de dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de dépôt de l'alliage nickel-titane selon l'invention, par pulvérisation cathodique en mode triode; et - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un exemple de dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de dépôt de l'alliage nickel-titane selon l'invention par évaporation "flash" à effet Joule ou par faisceaux d' électrons La présente invention a donc pour objet unFrocédé traitementdepièces métaIiquesj notamment en aluminium fer, cuivre ou un des alliages de ces métaux pour améliorer les propriétés de dureté et de frottement des dites pièces, du type comprenant'le dépôt dgun revêtement métallique sur lesdites pièces. Selon l'invention, le dépôt comprend essentiellement du nickel et du titane dans la proportion de 3 atomes de nickel pour 1 atome de titane et est effectué dans des conditions de température telles que l'on obtienne du Ni3Ti en phase hexagonale. Pour ce faire, on peut utiliser différents dispositifs représentés schématiquement sur les figures anne- xées. D une façon générale,- ces dispositifs comprennent une enceinte I dans laquelle sont disposées les élec- trodes. Dans le cas du dispositif par pulvérisation cathodique en mode diode (figures 1 et 2), une cathode 2 plane ou cible composée de nickel et de titane dans des proportions prédéterminées, et une anode plane 3 ou porte-substrat refroidie ou chauffante sont disposées parallèlement Il est à noter que, dans le.cas de pièces cylindriques, on peut utiliser un système tournant refroidi ou chauffant (non représenté) comme porte-substrat. Le dispositif comprend de plus un cache 4 placé entre les électrodes ; un générateur 5 continu ou radio-fréquence , une prise de vide 6 et une entrée d'argon 7- munie d'une vanne 8. On notera que le dispositif de la figure 2 diffère seulement de celui de la figure I en ce que la cible est dans ce casoenstituée d'une cathode 9 du type magnétron. Les mimes références indiquant les mêmes éléments dans toutes les figures, dans le système à pulvérisation cathodique en mode triode (figure 3), un filament annexe 10 porté à haute température, source d'émission d'électrons, et une anode Il placée en vis à vis servent à engendrer le plasma , un champ magnétique créé par deux enroulements 12 permettant de concentrer ce plasma entre les électrodes. Enfin, dans le dispositif par évaporation sous vide (figure 4), les pièces sont disposées sur un carrousel 13 à double rotation éventuellement chauffant, placé face à la source 14. Eventuellement, on peut prévoir un système de polarisation du carrousel (non représenté) permettant de pratiquer des dépôts par recouvrement ionique, ou une anode auxiliaire (non représentée) permettant en outre de pratiquer un décapage ionique des substrats. La pulvérisation s'effectue de la façcnsuivante. Après avoir disposé les objets à revêtir sur les supports 3, on ferme l'enceinte 1 et-on fait le vide à l'intérieur jusqu'à ce que la pression atteigne 1,333 x 10~4Pa ou moins, selon le mode de dépôt retenu. De l'argon est introduit dans ltenceinte, jusqu'à ce que la pression soit comprise entre 6,665 x10 3 Pa et 2,666 Pa, selon le procédé utilisé. Cette pression peut être auto-régulée à partir d'un ensemble automatique (non représenté) comportant un débit-mètre, une vanne piézo-électrique et un capteur capacitif. Un spectromètre quadripole-annexé à l'enceinte permet éventuellement de suivre la composition du plasma. La distance cible-porte substrat varie de 2 à 10 cm selon le mode utilisé.On applique ensuite à la cathode (cible) une tension continue ou radio-fréquence à l'aide d'un générateur 4 approprié. La puissance fournie à la cible est comprise entre 2 et 15 W/cm2 selon le mode de pulvérisation. Préalablement aux dépôts, les pièces nettoyées physiquement ou chimiquement peuvent subir une abstraction superficielle en pratiquant un décapage ionique en inversant les polarités. Les cibles sont préparées par frittage à chaud à partir d'un mélange de poudres de Ni et Ti de pureté à 99,9% et dont les proportions varient entre 10 et 45% de titane (90 à 55% de nickel) en fonction du mode de déposition choisi Dans le mode par évaporation (figure 4), la source 14 est constituée par un mélange de poudres dans une des compositions définies ci-dessus. Un dispositif oscillant permet lsalimentation du creuset dans l'évaporation "flash". Dans le mode par faisceau d'électrons, le mélange est directement placé dans le creuset. La cristallisation définitive de la phase Ni3Ti hexagonale est réalisée soit in-situ en chauffant les piè- ces lors des dépôts entre 400 et 8000 C, selon la nature du substrats ou par traitement thermique approprié si le dépôt s'opère sur des pièces maintenues- à 20-250C. Les dépôts ainsi obtenus sont contr8lés par analyse par diffraction aux rayansX et microscopie électronique. A titre d'exemple non limitatif, on peut déposer su du duralumin une couche de nickel et de titane, par exemple par pulvérisation cathodique en mode diode ou triode, à partir d'une cible composée de nickel et de titane dans des proportions telles que,compte tenu des vitesses respectives de dépôt des deux métaux, le duralumin soit recouveru d'un mélange contenant 3 atomes de nickel pour 1 atome de titane; les proportions préférées du mélange étant indiquées ci-dessus. Dans cet exemple, la pièce ainsi recouverue est portée pendant une heure à une tempé- rature de 5000C et trempée à l'eau. Le dépit ainsi obtenu présente les caractéristiques cristallographiques requises, vérifiées par diffraction aux rayons X de la phase Ni3Ti, l'axe de la maille hexagonale étant parallèle au champ magnétique lorsque le dépôt est effectué en mode triode La dureté du dépôt est supérieure à 2000 HV- mesurés sotis quelques grammes. E11 outre, les essais de frot temerit à sec effectués en contacts ponctuels entre deux cylindres de 10 mm de diamètre à axes perpendiculaires ont montré,que pour des charges allant jusqu'à 500 g, le coefficient de frottement était compris entre 0,08 et 0,10, c'est-à-dire qu'il était du même ordre que pourun frottement lubrifié. Dans les mêmes conditions, le dépôt de Ni3Ti sur un alliage ferreux ou cuivreux peut entre fait en pulvérisant au préalable une couche métallique emoAchant la diffusion du nickel dans le fer ou le cuivre Dans ce cas, le siliclub, le chrome et l'aluminium peuvent tre utilisés comme écran. Les propriétés mécaniques et tribologiques du dépôt sont alors les mimes. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de pièces métalliques, notamment en aluminium, fer,cuivreouundes alliages de ces métaux, pour améliorer les propriétés de dureté et de frottement desdites pièces, du type comprenant le dépôt d'un revêtement métallique sur lesdites pièces, caractérisé en ce que ledit dépôt comprend essentiellement du nickel et du titane dans la proportion de trois atomes de nickel pour un atome de titanes et est effectué dans des conditions de température telles que l'on obtienne du NiDTi en phase hexagonale 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt précité: est obtenu par pulvérisation cathodique et traitement thermique à une température comprise entre 400 et 800 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt précité est obtenu par évaporation sous vide et traitement thermique à une température comprise entre 400'et 8000C. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les pièces métalliques précitées sont chauffées à une température comprise entre 400 et 8000C. 5. Procédé selon l'une des revendications I à 3, pour le traitement de pièces en aluminium ou en l'un de ses alliages, caractérisé en ce que le traitement thermique du dépôt précité est combiné avec le traitement thermique desdites pièces. 6. Procédé selon ltune des revendications I à 3, pour le traitement de pièces en acier ou en alliage de cuivre, caractérisé en ce qu'avant le dépôt précité on pulvérise un métal tel que notamment le silicium, le chrome ou l'aluminium susceptible de former un écran à la diffusion du nickel dans le cuivre ou le fer. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 et 6, pour le traitement de pieces en acier, caractérisé en ce que le traitement thermique du dep8t précité est combiné avec le traitement thermique des pièces en,acier sur lesquelles il est déposé. 8. Procédéselon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement thermique précité est effectué à environ 5000C pendant environ une heure. 9. Pièces métalliques, notamment en aluminium, fer ou cuivre ou en un des alliages de ces métaux, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par mise ,en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.