Brevet FR2641363A1 — publié le 19900706

PROCEDE DE TRAITEMENT DES SURFACES EN CONTACT DE DEUX PIECES METALLIQUES APPELEES A FROTTER L'UNE CONTRE L'AU TRE DANS LE VIDE. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de traitement des surfaces en contact de deux pièces métallique telles qu'un axe et un palier, un pignon et un engrenage, un axe et une chape, des roues, des poulies et un cabale, etc. appelées à se déplacer L'une par rapport à L'autre dans le vide. L'invention peut être utilisée dans tous les cas où un mécanisme de précision doit fonctionner dans le vide, et notamment sur Les satellites artificiels, les engins et les véhicules spatiaux. Le fonctionnement sous vide des mécanismes comportant des pièces mobiles les unes par rapport aux autres a conduit tes concepteurs de ces pièces à revêtir directement les surfaces en contact d'un Lubrifiant solide qui a pour fonction d'abaisser le coefficient de frottement de ces pièces à une va Leur aussi faible que possibLe, afin d'en faciliter le déplacement relatif. En effet, L'utilisation d'un Lubrifiant fluide dans Le vide nécessiterait de confiner ce Lubrifiant de façon étanche dans un système fermé, ce qui n'est pas toujours possible et conduit, de toute manière, à un accroissement du poids indésirable dans L'espace. La nature du Lubrifiant solide habituellement utilisé varie principalement en fonction des conditions de fonctionnement du mécanisme, notamment de la temperature et du degré hygrométrique. Les matériaux les plus couramment utilisés à cet effet sont les bisulfures, biséléniures et bitellurures de molybdène, tungstène et niobium purs ou chargés, et les matières plastiques telles que polytétrafluoroéthylène, polyacétal, polyimide. Le fonctionnement des mécanismes dans lesquels les surfaces en contact sont revêtues d'un lubrifiant solide est satisfaisant tant que ce lubrifiant n'est pas endommagé et recouvre en totalité les surfaces. Cependant, dès qu'une disparition même locale du Lubrifiant solide se produit, ce qui peut arriver relativement rapidement si le contact entre les surfaces s'effectue préférentiellement dans une zone d'retendue tres limitée, il se produit instantanément un grippage entre les pièces. Ce grippage est dû à la venue en contact direct des métaux ou alliages métalliques qui constituent les pièces, qui sont choisis en fonction notamment de Leurs propriétes mécaniques, sans tenir compte de leur aptitude à gripper Lorsque ces métaux sont en contact direct l'un contre L'autre, notamment sous vide. Dans L'espace, l'ap- parition d'ún grippage entre deux pièces mécaniques conduit inévitablement à rendre inopérant le mécanisme auquel appartiennent ces pièces. Cet inconvénient constitue donc un probLème grave auquel aucune solution satisfaisante n'a été apportée à ce jour. L'invention a précisément pour objet un nouveau procédé de traitement des surfaces en contact de deux pièces métalliques mobiles fonctionnant à L'air et sous vide, permettant d'éviter L'apparition d'un grippage entre les pièces en cas de détérioration ou de disparition ponctuelle du lubrifiant solide et, par consequent, de garantir un fonctionnement satisfaisant des mécanismes auxquels appartiennent ces pièces pendant une durée qui est augmentée de deux à dix fois par rapport aux mécanismes actuels fonctionnant sous vide. Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de traitement des surfaces en contact de deux pièces métalliques aptes à se déplacer L'une par rapport à L'autre, consistant à revêtir la surface d'au moins une première des deux pièces d'une couche de lubrifiant solide, caractérisé par le fait qu'avant de déposer ta couche de lubrifiant solide, on dépose une couche intermédiaire d'un matériau antigrippage, non miscible ou tres peu miscibLe à L'état liquide avec le métal constituant L'autre pièce. Lorsqu'une couche intermédiaire de matériau antigrippage est ainsi prevue entre l'une des pieces et le Lubrifiant solide, en cas de détérioration ou de disparition ponctuelle de ce dernier, c'est le matériau antigrippage qui vient en contact avec l'autre pièce. Etant donne que ce matériau antigrippage a précisément été choisi pour son aptitude à ne pas gripper avec le métaL constituant L'autre pièce, le coefficient de frottement entre les pièces se trouve légèrement augmenté mais aucun grippage ne se produit et le fonctionnement du mécanisme est prolongé aussi longtemps que le materiau antigrippage reste présent sur toute la surface de la première pièce. le matériau antigrippage est choisi en fonction de la nature du métal ou de l'alliage constituant l'autre pièce, en tenant compte du fait que les métaux qui ne grippent pas entre eux sont des métaux qui sont inso lubles à L'état liquide. Dans Le cas des mécanismes spatiaux, on doit egalement tenir compte du fait que ces mécanismes sont essayés au sol et doivent donc pouvoir fonctionner dans Liait sans subir d'oxydation. Compte tenu de ces deux impératifs, Lorsque le métal constituant L'autre pièce est un alliage ferreux, un matériau antigrippage est de L'argent. Par ailLeurs, L'épaisseur de la couche intermédiaire d'argent est choisie en tenant compte du fait que la courbe de variation du coefficient de frottement entre L'argent et un alliage ferreux tel que l'acier inoxydable, en fonction de L'épaisseur de cette couche d'argent, passe par un minimum lorsque cette épaisseur est voisine de 2 microns. Par conséquent, l'épaisseur de la couche intermédiaire d'argent est au plus égale à environ 6 microns. Pour déposer la couche intermédiaire d'argent, différents procédés peuvent être utilisés. Parmi ces procedés, on choisit de préférence l'électrolyse, qui permet de contrôler de façon satisfaisante l'epaisseur de la couche d'argent pour un prix de revient relativement faible. Lorsque Les deux pièces en contact du mécanisme sont réalisées dans le même métal ou alliage métallique, le matériau antigrippage constituant la couche intermédiaire qui doit être déposee sur la première pièce est par nature insoluble à l'état liquide avec le métal constituant cette première pièce. L'accrochage direct du matériau antigrippage sur ce métal est alors pratiquement impossible. Dans ce cas, avant de deposer la couche intermédiaire de matériau antigrippage, on peut déposer une sous-couche d'un matériau facilitant l'accrochage du matériau antigrippage sur le métal de la première pièce. Plus précisément, cette sous-couche est réalisée en un matériau qui s'accroche de façon satisfaisante à La fois sur le métal de la première pièce et sur Le matériau antigrippage. Dans le cas où le metal de la première pièce est un alliage ferreux et le matériau antigrippage de L'argent, le matériau de la sous-couche est choisi dans le groupe comprenant l'or et le nickel. L'épaisseur de cette sous-couche doit être proportionnellement peu importante par rapport à l'épais- seur de la couche d'argent, afin d'éviter que la souscouche d'or ou de nickel ne remonte à la surface de la couche d'argent par diffusion, ce qui annulerait alors la fonction antigrippage de cette dernière. A cet effet, L'épaisseur de la sous-couche est au plus égale à environ 1 micron. Comme la couche intermédiaire d'argent, la souscouche d'or ou de nickel est déposée de préférence par électrolyse. Par ailleurs, afin d'améliorer le coefficient de frottement initial entre les pièces, la surface de L'autre pièce est egalement revêtue directement d'un lubrifiant solide. IL est à noter que le lubrifiant solide est choisi parmi les Lubrifiants sotides connus, en tenant compte notamment de son comportement dans le vide (absence de vaporisation) et de sa compatibilité avec la couche intermédiaire de matériau antigrippage, que le Lubrifiant ne doit pas attaquer ou corroder. Dans le cas où le matériau antigrippage est de L'argent, le lubrifiant solide est de préférence du bisulfure -de molybdène. Le Lubrifiant solide est déposé sur la couche intermédiaire de matériau antigrippage par tout procédé adapté, et notamment par brunissage. L'efficacité des mécanismes constitués de pièces dont les surfaces en contact ont eté traitées selon le procédé de l'invention a été testée en laboratoire et comparee à des pièces semblables dont les surfaces en contact étaient seulement revêtues d'une couche de lubrifiant solide, conformément à l'art antérieur. Dans une première série d'essais destinés à observer l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la distance parcourue, différents disques en acier inoxydable de 45 mm de diamètre ont été revêtu tus, d'une part, directement de bisulfure de molybdène MoS2 déposé par dépôt physique en phase vapeur, d'autre part, d'une sous-couche de nickel déposée par électro- lyse, d'une couche intermédiaire d'argent passivé et non passivé déposée par électroLyse, puis d'une couche de MoS2 déposée par brunissage. Les deux familles de disques ainsi réalisés ont été soumises successivement à un essai de glissement, sur S00 m, à une vitesse de 10 mm/s, en faisant tourner chacun des disques à température ambiante et en appliquant sur ce disque, avec une charge de 5 Newtons, un pion en acier inoxydable à extrémité spherique de 5 mm de diamètre, dépourvu de revêtement. Au cours des premiers essais de ce type effectués sur des disques d'acier inoxydable revêtus seulement de MoS2, on observe tout sabord un fonctionnement avec un faible coefficient de frottement (voisin de 0,1). Sans qu'il existe de phase de transition durable, un grippage se produit ensuite des que le lubrifiant solide MoS2 est supprimé même localement. Ce grippage se traduit par une tendance prononcée au blocage, qui apparat à partir de 110 m de glissement. Les mêmes essais de glissement effectués ensuite sur des disques d'acier revêtus conformément à l'invention d'une sous-couche de nickel, d'une couche intermédiaire d'argent et d'une couche de MoS2 ont conduit à des résultats très différents. En effet, après la première période comparable au cas précédent, au cours de Laquelle la présence en tout point de la surface de revê- tement de MoS2 permet d'obtenir un faible coefficient de frottement (voisin de 0,1), la dégradation progressive du Lubrifiant solide, qui se produit comme précédemment, se manifeste dans ce cas par l'apparition d'une deuxième période durable et stable, au cours de laquelle le coefficient de frottement est plus élevé (voisin de 0,5), mais sans apparition de grippage. Des disques revêtus conformément à l'invention d'une sous-couche de nickel, d'une couche intermédiaire d'argent passivée et d'une couche de MoS2 déposee par brunissage ont ensuite été soumis à des cycles thermiques (10 trempés dans L'azote Liquide) et à un vieillissement humide pendant 200 heures à une temperature de 700C et avec une humidité de 95 %. Dans le cas des disques soumis à un vieillissement humide, on a observé La formation d'une epaisseur o très faible (inférieure à 5000 A) d'Ag2S sur la surface dans la zone couplée. L'adhérence des differentes couches est restée bonne et des essais de glissement comparables aux précédents effectués sur les disques soumis au cycle thermique et au vieillissement humide ont montré que ces deux traitements étaient sans effet sur le coefficient de frottement entre le disque et le pion. Un autre disque revêtu conformément à l'invention a été soumis à un essai d'endurance qui a confirmé les resultats précédents. Ainsi, un glissement sur une distance de 1400 m n'a pas permis d'observer de variations notables du coefficient de frottement, et encore moins de blocage dû à un grippage. Une deuxième série d'essais a été effectuée sur des cylindres d'acier de 30 mm de diamètre dont certains ont été revêtus directement de MoS2 conformement à l'art antérieur et dont les autres ont été revêtus d'une sous-couche de nickel, d'une couche intermédiaire d'argent passivé et d'une couche de MoS2 déposée par brunissage, conformément à l'invention. Ces deux familles de cylindres ont été soumises successivement à des essais de glissement sur 300 m à la vitesse de 40 mm/s, en les entrainant en rotation à température ambiante, et en appliquant sur le cylindre, avec une charge variant de 0,75 Newton à 2,25 Newtons, un couteau fixe en acier dépourvu de revêtement, dont les faces forment entre elles un angle de 60C et dont l'extrémité avait selon le cas un rayon de courbure de 0,2 mm, 0,5 mm et 1 mm. Par rapport à la premiere série d'essais, ces essais ont permis d'observer L'influence du rayon de courbure du couteau ainsi que l'influence de la charge. De façon générale ils ont confirmé les observations faites pendant la première série d'essais, c'est-à-dire, d'une part, la tendance prononcée au blocage des pièces revêtues uniquement de MoS2, après suppression même locale de ce revêtement et, d'autre part, La disparition de ce phénomène lorsque la couche intermédiaire d'argent (avec sous-couche de nickel) est présente en dessous de MoS2, conformément à L'invention. L'accroSssement du rayon de courbure du couteau tend à diminuer le coefficient de frottement. En revanche, les modifications de la charge appliquée sont pratiquement sans influence sur les résultats. Comme dans la première série d'essais, un essai d'endurance sur un cylindre revêtu conformément à l'in- vention a permis d'observer qu'après 2000 m de glissement, il n'y avait pas de variation notable du coefficient de frottement, ni de blocage des pièces. Par ailleurs, des essais de dureté ont aussi été effectués sur Le revêtement d'argent. Ces essais ont montré que la dureté du revêtement etait supérieure à 100 Hv (mesures faites à 110 Hv et 124 Hv). Certains des disques dont les surfaces ont été traitées conformément à L'invention ont aussi été soumis à des essais de vieillissement en ambiance de laboratoire. Ces disques ont été soumis pendant un mois à la température de la pièce et à une humidité d'environ 60 X. D'autres éprouvettes revetues également d'une couche intermédiaire d'argent et d'une couche de MoS2 déposée par brunissage ont été soumises pendant 1 an à un environnement d'azote liquide et d'eau, dans l'ambiance du laboratoire. Dans les deux cas, aucune corrosion n'a été observée. Pour les différents essais qui viennent d'être décrits, la sous-couche de nickel, déposée par electro- lyse, présentait une epaisseur variant entre 0,5 et 1 mi cron. La couche intermédiaire d'argent, également déposée par électrolyse, présentait une épaisseur comprise entre 3 microns et 6 microns. La procédure de revêtement ainsi appliquee a permis de montrer la faisabilité du dépôt d'une couche intermédiaire d'argent ainsi que l'absence de modification des tolérances géométriques et de la rugosité lors du dépôt de cette couche. Dans tous Les cas, le MoS2 était déposé par brunissage. Les différents essais qui viennent d'être décrits démontrent de façon claire que le procédé de traitement selon L'invention conduit à un reel progrès par rapport au procédé de traitement de surfaces utilisé dans la technique antérieure. Si les différents essais qui ont été décrits concernent Le cas de pièces en acier inoxydable revetues successivement d'une sous-couche de nickel, d'une couche intermédiaire d'argent, puis d'une couche de MoS2, il est clair que les enseignements de cette invention peuvent être transposes aisément au cas des pièces reali sées en d'autres alliages tels que ceux de titane, de béryllium ou de cuivre, qui sont également utiLises fré- quemment dans Les mécanismes spatiaux. Ainsi, dans le cas d'une pièce en cuivre, La pièce en contact avec cette pièce en cuivre peut être revetue d'une couche intermédiaire de molybdène, qui presente La propriété d'être insoluble à l'état liquide avec le cuivre, de sorte qu'aucun grippage ne se produira Lorsque Le Lubrifiant solide déposé sur Le molybdène sera endommage. Par ailleurs, la présence d'une sous-couche entre Le matériau anti grippage et la pièce sur laquelle est déposé ce matériau n'est nécessaire que dans le cas où l'accrochage du matériau antigrippage ne s'effectue pas de façon satisfaisante. Le matériau constituant la sous-couche est alors choisi en fonction de la nature du metal constituant le support et de la nature du maté riau-antigrippage. Ainsi, dans le cas précédemment décrit où le support est réalisé en acier inoxydable et le materiau antigrippage constitué par de L'argent, la sous-couche peut aussi être réalisée en or. Le choix du lubrifiant solide s'effectue quant à lui en fonction des conditions de température et d'hygrométrie dans lesquelles les pièces sont utilisées. Ainsi, si le bisulfure de molybdène constitue une bonne solution lorsqu'on se trouve en atmosphère sèche et à une température inférieure à 4000C, il peut être remplacé par du graphite en atmosphère humide et par du bisulfure de tungstène ou un biséléniure de molybdène de tungstène ou de niobium à haute température. D'autre part, les procédés de dépôt des differentes couches sur leur support peuvent être des procé- dés quelconques permettant d'obtenir un revêtement satisfaisant. Enfin, il est important de noter que le procédé selon l'invention peut être appliqué à tous mécanismes utilisés dans le vide pour revêtir les surfaces en contact des pièces de ces mécanismes aptes à frotter les unes contre les autres. L'invention s'applique ainsi indifféremment et de façon non limitative aux engrenages, aux paliers, aux chapes, aux ' pignons, aux roues, aux poulies, aux bagues, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement des surfaces en contact de deux pièces métalliques aptes à se déplacer l'une part rapport à l'autre, consistant à revêtir la surface d'au moins une première des deux pièces d'une couche de Lubrifiant solide, caractérisé par le fait qu'avant de déposer la couche de Lubrifiant solide, on dépose une couche intermédiaire d'un matériau antigrippage, non miscible ou très peu miscible à l'étant liquide avec le métal constituant l'autre pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, le métal constituant l'autre pièce étant un alliage ferreux, le matériau antigrippage est de L'argent. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérise par le fait que l'épaisseur de la couche intermédiaire d'argent est au plus égale à environ 6 microns. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la couche intermédiaire d'argent est déposée par électrolyse. 5. Procédé selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'avant de déposer la couche intermédiaire de matériau antigrippage, on depose une sous-couche d'un matériau facilitant l'accrochage du matériau antigrippage sur le metal de la première pièce. 6. Procédé selon La revendication 5, combinée avec L'une quelconque des revendications 2 à 4, caracterisé par le fait que le métal de la première pièce étant un alliage ferreux, le matériau de la sous-couche est choisi dans le groupe comprenant l'or et le nickel. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la sous-couche est au plus égale à environ 1 micron. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que la sous-couche est déposée par électrolyse. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface de l'autre pièce est également revêtue directement d'un Lubrifiant solide. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le lubrifiant solide est du MoS2. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le lubrifiant solide est déposé par brunissage.