Brevet FR2907356A1 — publié le 20080425

L'invention concerne le domaine technique de la tribologie en milieu lubrifié. Plus particulièrement, l'invention concerne les revêtements et les traitements de surface destinés à réduire l'usure et à minimiser la transmission des efforts tangentiels. De nombreuses solutions techniques ont été proposées pour améliorer les performances tribologiques des pièces mécaniques. On distingue essentiellement les traitements traditionnels de durcissement superficiel et les dépôts de couches minces et dures obtenues par différents procédés tels que le procédé PVD (Physical Vapour Deposition) ou le procédé PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition). Parmi les dépôts de couches minces et dures, on peut citer les dépôts de nitrures de métaux de transition (TiN, CrN, TiAIN, ...), les revêtements de carbone amorphe (DLC)... Pour des raisons techniques, mais aussi mécaniques, il ressort que ces dépôts de revêtement de surface n'excèdent généralement pas 5 m. Au-delà de cette épaisseur, peuvent apparaître des risques de fragilisation du dépôt et d'écaillage. Il est également important d'obtenir une parfaite adhérence et une tenue dans le temps de la couche mince. Ainsi, l'homme du métier revendique des états de surface très peu accidentées avec une rugosité (Ra) de l'ordre de 0,04 m Il ressort donc de l'état de la technique que les performances tribologiques des traitements de surfaces et des dépôts sous vide, ne sont assurées qu'à condition d'avoir des surfaces de faible rugosité. 2907356 2 On peut citer par exemple l'enseignement du brevet US 6,886,521 qui pose une valeur maximale du paramètre de rugosité de surface (Rz) en fonction de la dureté du dépôt de DLC et de l'épaisseur de celui-ci. 5 Dans le domaine de la tribologie, de nombreuses études ont été effectuées sur l'influence de la topographie des surfaces en contact sur l'établissement d'un régime de lubrification élastohydrodynamique. C'est ainsi que l'on a proposé de réaliser une texturation de paliers ou de butées afin de favoriser la séparation de surfaces par pression du lubrifiant. On 10 peut citer, par exemple, l'enseignement des documents US 5,952,080 et WO2004/063533. Toutefois, le dimensionnement de la topographie des surfaces n'est pas évidente, de sorte que cette solution n'est généralement pas compatible 15 avec des conditions de contact sévères, ainsi que dans le cas de pièces frottantes fortement chargées, c'est-à-dire dont les pressions de contact sont supérieures, par exemple, à 500 MPa. En effet, cette texturation, qui revient à effectuer une gravure de motifs sur la surface en contact, entraîne une diminution significative de la surface portante. Ensuite une texturation non 20 appropriée peut conduire à une chute de pression du film d'huile et conduire à un endommagement des surfaces, ce qui va à l'encontre du but recherché. Il en résulte que le principe de la texturation de surface n'est appliqué par l'homme du métier que dans le cas de pièces frottantes faiblement chargées en milieu lubrifié. 25 A partir de l'analyse de cet état de la technique, l'un des problèmes que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir appliquer le principe de la texturation d'une surface frottante afin de prolonger l'existence d'un 2907356 3 régime de lubrification élastohydrodynamique ou hydrodynamique de pièces frottantes en milieu lubrifié et fortement chargées, c'est-à-dire travaillant sous des pressions de contact élevées, par exemple, supérieures à 500 MPa. 5 Pour résoudre ce problème, la surface en contact est soumise à des opérations aptes à réaliser un réseau périodique de cavités micrométriques de formes et dimensions déterminées et dont la période est adaptée à la largeur de surface en contact afin de favoriser le passage en régime de lubrification élastohydrodynamique. 10 Selon d'autres caractéristiques, les cavités micrométriques, sont constituées, avantageusement mais non limitativement, par des trous et/ou des rainures. La profondeur des cavités est inférieure ou égale à 10 m et avantageusement inférieure à 3 m et inférieure à 1 m. La grande longueur 15 de ces cavités est comprise entre 5 et 500 m. Pour résoudre le problème posé d'obtenir une surface texturée selon les caractéristiques de l'invention, le réseau périodique des cavités est obtenu notamment par un procédé d'usinage par impulsions laser 20 femtoseconde ou bien par micro-usinage, ou bien par déformation plastique ou bien par attaque chimique ou bien par électroérosion. Avantageusement, la pièce de frottement dont la surface est texturée, est soumise, avant ou après texturation, à un traitement de durcissement 25 superficiel à fonction tribologique. Ce traitement est avantageusement obtenu par dépôt d'une couche mince de carbone amorphe (DLC), afin de limiter l'endommagement des surfaces et abaisser le coefficient de 2907356 4 frottement avant le passage en lubrification élastohydrodynamique des pièces frottantes fortement chargées. Comme indiqué, la texturation de surface frottante peut être obtenue 5 selon différents procédés. Les impulsions par laser femtoseconde permettent un enlèvement de matière par évaporation sans modification significative de la microstructure. A noter cependant que les techniques de micro-usinage (lithographie, microérosion) ou de déformation plastique de surface (moletage, micropercussion) ou électrochimiques (attaques chimiques, 10 électroérosion) permettent d'obtenir des résultats similaires. Les motifs réalisés sur les surfaces texturées constituent des cavités qui peuvent être définies selon les trois paramètres essentiels suivants : la forme (cylindrique, sphérique, elliptique, carré, triangulaire, rainures) ; 15 les dimensions (diamètre, profondeur) ; la période considérée dans toutes les directions et par rapport à la direction de frottement de surface. La profondeur des aspérités est avantageusement inférieure à 3 m 20 afin de limiter l'endommagement des couches minces et de maximiser leur influence sur le régime de lubrification avec un résultat optimum constaté par des motifs autour de 500 nm de profondeur. On rappelle que les pièces texturées selon l'invention peuvent être traitées avant ou après texturation par des traitements thermochimiques traditionnels (cémentation, 25 carbonitruration, et autres traitements de diffusion ou de conversion) ou de dépôts sous vide obtenus par les procédés PVD (Physical Vapour Deposition) ou PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), 2907356 5 tels que des nitrures ou des carbures de métaux de transition ou des dépôts de carbone amorphe (DLC). La période des cavités est inférieure à la moitié de la largeur de 5 contact, la profondeur étant inférieure ou égale à l'épaisseur du dépôt. Les différentes dimensions et orientations des motifs sont adaptées aux pièces à traiter, selon les dimensions des surfaces de contact, le sens et la vitesse de glissement, les pressions de contact et la courbure des pièces 10 traitées. Par exemple, sur des pièces mécaniques soumises à des pressions de contact très élevées, telles que des pièces de culbuterie dans le domaine de l'automobile, il est nécessaire de réaliser des profondeurs de motifs faibles d'environ 500 nm. A noter que l'apport d'une couche dure, comme indiqué 15 précédemment, par rapport à une surface texturée non revêtue, permet entre autre de réduire, d'une manière significative, l'endommagement des motifs au cours du temps et, par conséquent, de maintenir les performances tribologiques des surfaces texturées. On observe également qu'outre une influence sur le régime de lubrification, la texturation permet également de 20 bloquer, de manière surprenante, la propagation de fissures issues d'un décollement du dépôt. On renvoie à l'exemple de traitement ci-après : Les pièces traitées sont des galets sphériques de 50 mm de diamètre, 25 en acier X85WCrMoV6-5-4-2 tribofinis. Ces pièces ont été revêtues d'un dépôt de DLC de 2 m dans lequel des trous ont été effectués par des impulsions laser femtoseconde. Les surfaces sont texturées par un réseau de trous de 79 pl de diamètre et de 400 nm de profondeur, espacés de 125 ,m. 2907356 6 Le réseau est constitué d'une succession de rangées de 7 et de 8 trous décalés sur une largeur de 1 mm. Ces galets sont utilisés pour des essais de frottement sous des 5 pressions de contact élevées (de I à 3 GPa de pression maximale de contact) et à des vitesses de glissement de 0,2 à 2 mis. Chaque pièce texturée a été testée face à un galet non revêtu et non texturé afin d'observer l'influence de la texturation sur le coefficient de frottement en régime lubrifié (huile moteur 10W40) et pour étudier la tenue en service des revêtements sous 10 différentes pressions de contact. Afin de quantifier le gain apporté par la microtexturation, des essais de frottement ont été réalisés en diminuant progressivement la vitesse de glissement de manière à rompre le film d'huile. 15 La réalisation d'essais sur des surfaces lisses revêtues, conduisant déjà à un gain sur le coefficient de frottement sur les mêmes surfaces mais sans dépôt de DLC, et sur des surfaces revêtues de DLC avec ce motif sous une pression de contact de 2 GPa, a révélé un gain significatif sur le 20 coefficient de frottement. Le graphique suivant présente l'évolution du gain apporté par ce motif particulier sur le coefficient de frottement, en fonction de la vitesse de glissement des antagonistes dans un bain d'huile. On remarque que sous ces 25 pressions de contact, le coefficient de frottement peut être réduit de 30 % par ce motif par rapport à une surface revêtue non texturée. La réalisation d'un dépôt de DLC non texturé permet déjà de réduire le coefficient de 2907356 7 frottement de 15 % par rapport à une surface en acier poli non traité (on renvoie à la figure 1 annexée). Dans cette configuration précise, l'application d'un dépôt texturé 5 conduit à une réduction de la puissance dissipée par le frottement de 30 W et permet également de réduire l'échauffement des surfaces et de l'huile, ce qui est favorable à la durabilité des composants. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on 10 souligne et on rappelle : limiter l'endommagement du dépôt en cours d'essai par un confinement des écailles entre deux périodes du motif réalisé et par une évacuation des particules d'usure dans les cavités ; réduire significativement le coefficient de frottement dans des 15 conditions de fonctionnement bien définies en favorisant le passage en régime de lubrification élastohydrodynamique ; augmenter la durabilité des pièces mécaniques. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse 20 dans le cadre d'une lubrification en élastohydrodynamique de pièces frottantes fortement chargées, notamment dans le domaine de I'automobile et plus particulièrement pour la réalisation de composants de moteurs, notamment de culbuterie tels que linguets ou poussoirs dans le domaine des véhicules de loisirs ou de compétition. 25 REVENDICATIONS - 1- Pièce de frottement en milieu lubrifié et dont la surface est texturée et soumise, avant ou après texturation, à un traitement de durcissement superficiel à fonction tribologique, caractérisée en ce que ladite surface est soumise à des opérations aptes à réaliser un réseau périodique de cavités micrométriques de formes et dimensions déterminées et dont la période est adaptée à la largeur de surface en contact afin de favoriser le passage en régime de lubrification élastohydrodynamique. -2-Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités micrométriques sont constituées par des trous et/ou des rainures. -3Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la grande longueur des cavités est comprise entre 5 et 500 m,. 4-Pièce selon la revendication 3, caractérisée en ce que la profondeur des cavités est inférieure ou égale à 10 m. - 5- Pièce selon la revendication 4, caractérisé en ce que la profondeur des cavités est inférieure ou égale à 3 m. - 6- Pièce selon la revendication 4, caractérisé en ce que la profondeur des 25 cavités est inférieure ou égale à 1 m. - 7- Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau périodique des cavités est obtenu par un procédé d'usinage par impulsions laser femtoseconde. 2907356 9 -8- Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau périodique des cavités est obtenu par micro-usinage. 5 -9- Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau périodique des cavités est obtenu par déformation plastique des surfaces. -10- Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau périodique des cavités est obtenu par attaque chimique ou électroérosion. -11- Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le traitement de durcissement superficiel est obtenu par dépôt d'une couche mince de carbone amorphe (DLC). 15 -12- Pièce selon la revendication 11, caractérisée en ce que la période des cavités est inférieure à la moitié de la largeur de contact, la profondeur étant inférieure ou égale à l'épaisseur du dépôt. -13- Utilisation des pièces selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 20 dans le domaine de l'automobile et notamment des moteurs. -14- Utilisation selon la revendication 13 pour la réalisation de composants de culbuterie notamment de linguets ou de poussoirs. 1025