Brevet FR2563318A1 — publié le 19851025

- 1 - 2563318 TUBE A REVETEMENT INTERNE La présente invention concerne un tube, en parti- culier le canon d'une arme, dont la surface interne est revêtue d'une fine couche d'une matière dure pour la pro- téger de l'usure et de la corrosion et pour réduire le frottement. Pour améliorer la force d'adhérence et la résistance à l'usure de couches déposées sous vide, on a déjà pris diverses mesures; par exemple, il est connu - que sur de nombreux substrats, des couches appliquées par pulvérisation cathodique adhèrent mieux que celles appli- quées par une métallisation ordinaire. On peut également utiliser les nouveaux procédés de métallisation assis- tée par ions pour obtenir une augmentation de la force d'adhérence. Cependant, toutes ces mesures connues ne suffisent pas lorsque les couches sont soumises lors de l'utilisation à une sollicitation plus intense et plus fréquente en traction, comme c'est le cas par exemple pour les canons des armes pendant le tir. Des tubes à surface interne revêtue sont uti- lisés pour les applications les plus diverses et sont fabriqués par les procédés de revêtement les plus divers, par exemple par fusion (DE-OS 2 841 295, DE-OS 3 237 655), par dépôt chimique en phase gazeuse (DE-OS 2 718 148), par métallisation (US-P- 4 354 456, US-P 4 407 712) ou par pulvérisation cathodique (DE-AS 2 820 301, DE-OS 2 655 942, DE-OS 2 729 286, DE-PS 976 529, DE-OS 3 150 591). Le revêtement de-canons d'armes n'est que rare- ment mentionné de manière expresse, il l'est par exemple par Gibson (DEPS 3 150 591) à propos d'un procédé de pulvérisation cathodique, ou par Kbniger et Coll. (DE-PS 2 537 623) et par Meistrung et Coll (DE-AS 2 809 709). - 2 - 2563318 Il serait avantageux de munir les canons des armes d'un revêtement interne de substances dures pour obtenir une amélioration de la résistance à l'usure et à la corrosion et une diminution du frottement. Cependant, aucun revêtement interne satisfaisant de ce typé n'a été décrit jusqu'à ce jour. La raison en a été cherchée jusqu'à présent dans le fait que la force d'adhérence de la couche de matière dure n'est pas suffisante, problème qui ne se pose pas a priori dans le cas du durcissement par diffusion effectivement utilisé en raison de l'absence de surface de séparation. Dans le DE-AS 2 809 709, il est décrit une couche de céramique épaisse (environ 1,3 mm) appliquée sur un noyau par un procédé de pulvérisation thermique, qui est ensuite transférée sur un tube par-frottage de celui-ci. Une couche aussi épaisse a naturellement une résistance propre élevée et n'est donc pas réduite à la seule force d'adhérence au substrat, comme c'est le cas pour les couches minces ( a été fabriqué par pulvérisation. La présente invention concerne la fabrication d'un tube à couche interne appliquée intérieurement de telle sorte que la couche ne s'écaille pas pendant l'em- ploi sous l'effet de l'allongement résultat des pressions élevées régnant à l'intérieur du tube et le cas échéant aussi sous l'effet de températures élevées. Ce but est atteint par un tube à l'intérieur-duquel est appliquée une couche d'une matière plus dure que le tube, qui est caractérisé en ce que la couche, à la tempéra- ture d'emploi prévue, est refoulée en surface d'au moins 6S/S 1 x 10-3. S désigne ici la surface de la couche et bS la surface dont la couche est réduite lors du refoule- ment; bS/S = 10-3 signifie donc que la surface de la couche est réduite de 1 pour mille. _3 - _2563318 On a constaté de manière surprenante que les couches refoulées appliquées sur la face interne des tubes adhèrent solidement même lorsque des couches de la même matière, préparées de manière identique mais sans refoulement pendant l'application, se détachent aisément lors d'une sollicitation en traction ultérieure. On peut supposer que par suite des entailles produites par les fissures, l'adhérence de la couche pour la sollicitation par frottement, telle qu'elle se produit par exemple lors du tir dans des canons d'armes à feu, est fortement abaissée. En ce qui concerne le refoulement de la couche nécessaire, on doit prendre en considération la mesure dans laquelle le tuyau est soumis à un allongement par la déformation lors de l'utilisation ultérieure. Le pour- centage de refoulement de la couche doit être choisi au moins aussi élevé, mais avantageusement un peu plus élevé que le pourcentage d'allongement qui se produit lors de l'emploi, pour éviter avec certitude la formation de fissures par allongement excessif de la couche. Lors d'essais de tir sur des canons d'armes à feu portant divers revêtements internes fins en matière dure, on a constaté d'une manière surprenante qu'on ne pouvait obtenir d'amélioration effective de la résistance à l'usure que lorsque les couches étaient soumises à une contrainte de compression suffisamment forte, à savoir que, comme il a été indiqué, les couches devaient être refoulées en surface d'au moins S/S = 1/1000. Ceci est en contradiction avec les résultats des essais d'usure effectués jusqu'à présent, selon lesquels des couches minces avec de faibles contraintes présentaient une force d'adhérence plus élevée. On doit conclure de ces résul- tats que ce n'est pas la résistance d'adhérence de la couche qui est le facteur limitatif en soi, car celle-ci a pu être améliorée de manière importante par l'inven- tion. 4- - 2563318 L'utilisation de l'invention est particulièrement avantageuse dans les cas o les couches à appliquer ne sont pas elles-mêmes suffisamment ductiles et par consé- quent se fissurent déjà pour un faible excès d'allonge- ment. Les résultats expérimentaux obtenus dans des essais de tir avec des tubes conformes à l'invention sont en accord avec le modèle suivant: les couches qui sont refoulées au taux indiqué ou à un taux supérieur ne sont pas sollicitées en traction lors du tir et du gonfle- ment du tube qui se produit à cette occasion, mais sont au contraire déchargées de la contrainte de compression provoquée par le refoulement. En raison de cette décharge passagère, la résistance d'adhérence de la couche pen- dant le tir est même plutôt améliorée. Il ne se produit ni ruptures ni fissures dans la couche aussi longtemps qu'elle est sous une contrainte de compression. Ceci pourrait contribuer d'une manière importante à la soli- dité de la couche. Il existe divers procédés connus pour la fabri- cation des couches refoulées qui sont nécessaires dans l'invention. Dans le cas de matières de couche ayant, par comparaison avec le tube, des coefficients de dilatation thermique plus faibles, on peut obtenir un refoulement de la couche par élévation de la température au cours du revêtement: &S/ =261/1 =2 -0o)ÈT S/S = 2 / = 2 (substrat -couche)T On a constaté toutefois que ce procédé connu peut contribuer, il est vrai de manière importante, au refoulement de la couche nécessaire, mais est insuffisant dans de nombreux cas pour un refoulement suffisant. En particulier, le tube ne doit pas être chauffé pendant le revêtement à un point tel que l'acier perde sa dureté. On doit donc choisir pour le revêtement une température à peu près égale à la température de revenu, par exemple 550 C. Lors du tir, le tube est à nouveau - 5 - chauffé, et il peut atteindre à l'endroit de la couche des températures du même ordre que celles atteintes pendant le revêtement. L'allongement provoqué simulta- nément par la surpression lors du tir conduit, comme il a été expliqué, à la décharge de la contrainte de refou- lement et finalement empêche la fissuration de la couche. On a décrit récemment d'autres procédés de revêtement sous vide dans lesquels une plus forte compression de la matière de la couche est atteinte par l'action d'ions riches en énergie. On renverra à cet égard aux références suivantes: J.A. Thornton et ai., Thin Solid Films 64 (1979) 111 J.A. Thornton et al., J. Vac. Sci. Technol. 14 (1977) 164 D.W. Hoffmann et al., J. Vac. Sci. Technol. 17 (1980) 380 et 425 M.R. Gaertner et al., US-PS 4 256 780 Pour l'application des couches, on peut utiliser les procédés et dispositifs connus pour le revêtement interne de tubes. Un dispositif pour le traitement de la paroi interne d'un tube qui convient particulièrement bien pour un revêtement à chaud et sous un bombardement ioni- que est décrit dans la demande de brevet n 2544/83. On a par exemple appliqué des couches de nitrure de titane, de carbure de titane, de borure de titane et de carbure de tungstène sur la face interne de tubes. D'une manière générale, les borures, carbures et nitrures des métaux de transition des 4e et 6e groupes de la Classi- fication Périodique sont appropriés. Lors de l'application des couches dans le cadre de l'invention, on peut utiliser en outre les mesures auxi- liaires connues pour l'obtention d'une bonne force d'adhé- rence, par exemple un bon nettoyage préalable de la paroi interne du tube, un dégazage préalable par chauffage ou bombardement électronique, une élimination de la couche supérieure par décapage cathodique, l'utilisation d'une polarisation électrique sur la surface à revêtir au - 6- cours de l'application de la couche etc. Pour la mesure du refoulement de la couche, on a mis au point les procédés suivants: 1 - Une éprouvette rigide est d'abord munie d'une couche de chrome, dont l'épaisseur doit être un peu plus élevée que celle de la couche de matière dure qui est ensuite appliquée. L'éprouvette ayant reçu le revête- ment final est incluse dans de la résine synthétique et polie, de sorte que les couches deviennent visibles en coupe transversale. La coupe polie est traitée pendant 50 secondes dans de l'acide chlorhydrique à 18 % pour dis- soudre la couche de chrome. Après ce traitement, on voit sous le microscope, à la place de la couche de chrome, un évidement dans lequel s'étale la couche de matière dure détachée. A partir de l'amplitude et de la longueur d'onde du bord sinusoïdal de la couche, on peut calculer d'une manière connue le refoulement linéaire-&1/l. Le refoulement de la surface a une valeur numérique double: &S/S = 2 &1/1. Si la fente est trop mince et ne permet pas un relâchement complet de la couche, on mesure une valeur trop faible pour le refoulement. Etant donné que, confor- mément aux enseignements de la présente invention, le refoulement doit être supérieur à S/S = 1/1000, cette condition peut malgré tout être parfaitement contrôlée. 2 - Une éprouvette revêtue est serrée à deux extrémités opposées et est étirée lentement par appli- cation d'une force jusqu'à ce que la couche de matière dure se fissure. Ceci peut être vérifié par exemple à l'aide d'un microscope ou d'un microphone, et l'allongement l/l nécessaire à cet effet peut être mesuré. Comme la couche de matière dure est beaucoup plus fragile que l'acier, on peut admettre qu'elle se fissure déjà pour l'allongement le plus faible. L'allongement mesuré est donc égal ou peu supérieur au refoulement de la couche de matière dure. -7- 3 - Sur une éprouvette revêtue, on mesure la dureté de la couche de matière dure par le procédé Vickers pour diverses charges. On trouve que le diamant, déjà pour une charge p >0, ne laisse apparemment aucune empreinte. On le reconnaît le mieux au fait que le carré des diagonales d de l'empreinte, porté en fonction de la charge p, montre une allure de courbe qui présente pour d2 = 0 une valeur finale p positive. L'attribution de cette valeur mesurée p à un refoulement de couche déterminé est possible à l'aide des méthodes de mesure décrites aux points 1 et 2. - 8 - REVENDICATIONS 1. Tube avec couche appliquée intérieurement en une matière relativement dure par rapport au tube, carac- térisé en ce que la couche, à la température d'utili- sation prévue, est refoulée en surface d'au moins &S/S = 1.10-3. 2. Tube suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche est refoulée en surface d'au moins AS/S = 1.10-3 à la température de revenu de l'acier utilisé pour la fabrication du tube.