Brevet FR2981728A1 — publié le 20130426

L'invention concerne le domaine technique de la tribologie en milieu lubrifié. Plus particulièrement, l'invention concerne les pièces de frottement fonctionnant en milieu lubrifié comportant un modificateur de frottement, comme par exemple des composants automobile. Il est notoirement connu pour un homme du métier d'utiliser des revêtements minces du type DLC afin de réduire le frottement de composants mécaniques fonctionnant en milieu lubrifié. Les revêtements DLC sont également connus pour remplir une deuxième fonction qui est de protéger les revêtements contre l'usure. Toujours en ayant pour objectif de permettre une réduction significative du coefficient de frottement, on a proposé de rajouter un additif modificateur de frottement. Un tel additif est avantageusement le MoDTC qui, dans un contact frottant à chaud, réagit chimiquement pour donner lieu à la formation de composés du type MoS2 parfaitement connus par un homme du métier pour agir en tant que lubrifiant solide. A partir de cet état de la technique, il peut paraître intéressant de combiner les effets du DLC et du MoDTC pour bénéficier de l'effet de synergie des deux, afin de réduire encore plus le coefficient de frottement. Toutefois, il est apparu, suite à des essais réalisés, qu'une telle combinaison ne donne pas des résultats satisfaisant. Notamment, il a été observé, que les revêtements DLC qui contiennent de l'hydrogène, présentent un taux d'usure important, en présence du MoDTC. Lorsque le revêtement DLC n'est pas hydrogéné, le phénomène d'usure est moins important mais dans ce cas, l'application, relève d'une technique complexe et coûteuse. D'une manière surprenante et inattendue des essais ont démontré que dans un milieu lubrifié, comportant un modificateur de frottement MoDTC, le fait de remplacer le revêtement DLC par un revêtement de nitrure de chrome, donne des résultats particulièrement satisfaisants tant au niveau de la réduction du coefficient de frottement que de la protection de la pièce considérée contre l'usure. Autrement dit, à l'inverse du DLC utilisé dans un milieu lubrifié et comportant un modificateur de frottement MoDTC où apparaît un phénomène d'usure, un tel phénomène n'intervient pas avec le nitrure de chrome. L'invention réside donc dans la combinaison des effets du nitrure de chrome et du MoDTC permettant de réduire de manière significative le coefficient de frottement, sans pour autant altérer la dureté. Cette sélection du nitrure de chrome va à l'encontre des connaissances générales de l'homme du métier qui utilise désormais et quasiment exclusivement le DLC en milieu lubrifié, ne comportant pas de modificateur de frottement en lieu et place du nitrure de chrome. Des essais de frottement ont été effectués afin d'évaluer le comportement dans un milieu lubrifié comportant un modificateur de frottement MoDTC, d'un revêtement DLC et d'un revêtement de nitrure de chrome, en rappelant, de manière parfaitement connue, que dans le cas d'un revêtement DLC, afin de renforcer sa résistance mécanique, on peut desposer une sous-couche, par exemple, de nitrure de chrome. On renvoie au tableau ci-après qui montre les tests effectués sur quatre revêtements, à savoir, DCX0, DCX-1, DCX-2, DCX-3, le revêtement DCX-3 étant conforme à 1' invention. Référence Description DCX-0 CrN (0,8 itm) + DLC (2,0 itm) DCX-1 CrN (0,8 itm) + DLC (2,0 itm) + a-C (0,8.i) DCX-2 CrN (0,8 itm) + DLC (2,0 itm) + finition plasma 02 DCX-3 CrN (0,8 ium) L'ensemble des couches comporte un revêtement de nitrure de chrome élaboré par pulvérisation cathodique réactive magnétron. Pour l'ensemble des revêtements, on procède dans un premier temps au nettoyage des éprouvettes en acier qui sont ensuite positionnées sur des supports placés dans l'enceinte de dépôt sous vide. Pendant le pompage et l'évacuation de l'enceinte, on procède à un chauffage de l'intérieur de la machine et des pièces à revêtir, à une température de 150°C pendant 2h, dans le but de dégazer les pièces et la machine de dépôt. Ensuite, les pièces sont soumises à un décapage ionique dans une atmosphère d'argon, dont le but est d'éliminer les couches minces d'oxyde naturel et ainsi de permettre une forte adhérence du revêtement. Le dépôt de nitrure de chrome est obtenu par pulvérisation cathodique magnétron réactive d'une cible de Cr dans un mélange argon/azote. Le débit d'azote est asservi à une mesure optique de l'émission du Cr dans le plasma, de sorte que le dépôt contient 40+/-5 % atomique d'azote. Ainsi, on obtient un dépôt de CrN présentant une cristallisation cfc type NaC1, dont la microdureté est de 1800+/-200 Hv. Pour les revêtements DCX-0, DCX-1 et DCX-2, on dépose un revêtement de DLC type a-C:H par technique PACVD, en craquant un hydrocarbure dans un plasma, ici, de l'acétylène. Dans le cas de DCX-1, on procède au dépôt final d'une couche de type a-C par pulvérisation cathodique magnétron d'une cible de graphite. Dans le cas de DCX-2, on génère un plasma d'oxygène pur et on bombarde le dépôt par des ions issus du plasma pendant 10minutes, ce qui permet de modifier la chimie de surface du dépôt. Ces essais ont été réalisés avec un tribomètre alternatif en configuration bille sur plan. Pour ces essais, le plan est constitué d'une éprouvette en acier, polie à un niveau de Ra de 0,02 ium. La bille est en acier 100Cr6 et a un diamètre de 10 mm. Pour tous les essais, les revêtements sont appliqués sur la bille. La charge appliquée sur la bille est de 10N, ce qui donne un diamètre Hertzien de contact de 140 ium et une pression moyenne de 0,68 GPa. La bille est animée d'un mouvement alternatif, dont la course est de 10 mm. La vitesse de glissement suit un profil de type sinus, dont la valeur moyenne est de 3,5 cm/s. Le test est conduit pendant une durée de 15 000 cycles à une température de 110°C. Les conditions de vitesse de glissement, de pression et de température, sont telles que l'additifs de réduction de frottement réagit pour remplir sont rôle. A l'issue du test, on observe la bille et on mesure le diamètre de la trace de frottement ou trace d'usure, à partir duquel, on calcule le volume usé. Le graphique annexé (figure 1) résume les vitesses d'usure moyenne (volume usé ramené au nombre de cycles de frottement). Pour chaque revêtement, 3 essais ont été effectués, l'usure moyenne a été calculée. Les barres d'erreur représentent, non pas une erreur, mais la valeur la plus petite et la valeur la plus grande pour ces 3 essais. Pour chacun des essais et pour les différents revêtements, les mesures ont été effectuées en présence d'une huile automobile du commerce contenant le modificateur de frottement MoDTC. Il ressort de ce graphique les observations suivantes : - Pour le revêtement DCX-0, l'usure est particulièrement importante, ce qui n'est, du reste, pas le cas pour le même type de revêtement en milieu lubrifié ne comportant pas de modificateur de frottement MoDTC. - Pour le revêtement DCX-1, l'ajout d'une couche carbone amorphe non-hydrogéné par-dessus le DLC, tend à réduire la vitesse d'usure d'un facteur d'environ 2,9. - Pour le revêtement DCX-2, on voit que la modification de la surface DLC par un plasma d'oxygène, n'a pas d'influence significative sur la vitesse d'usure du DLC, alors que l'énergie de surface est complètement modifiée. - Le revêtement DCX-3, conforme à l'invention, présente une usure nulle en fin d'essai, le diamètre de frottement est très légèrement supérieur au diamètre initial de contact. Le nitrure de chrome présente une dureté de l'ordre de 1800 Hv. Le tableau ci-dessous résume les valeurs de vitesse d'usure moyenne qui apparaissent sur le graphe annexé. Référence Vitesse d'usure en µm3/cycle DCX-0 1,68 DCX-1 0,56 DCX-2 1,26 DCX-3 0,42 Acier 0,45 Le tableau ci-dessous donne les coefficients de frottement en fin d'essai. Référence Coefficient de frottement DCX-0 0,031+/-0,016 DCX-1 0,032+/-0,009 DCX-2 0,025+/-0,003 DCX-3 0,031+/-0,001 Acier 0,040+/-0,005 Il ressort de ces tableaux, que toutes les solutions comportant un revêtement présentent des coefficients de frottement moyens similaires.20 La forte dispersion dans le cas du DCX-0 est liée à l'usure. On note que les coefficients de frottement les plus bas sont obtenus pour les dépôts les plus usés. Le faible coefficient de frottement est essentiellement dû à l'additif de réduction de frottement : le MoDTC. A titre d'exemple et comme le montre la dernière ligne des tableaux, le test d'une bille non revêtue face à un plan non revêtu donne un coefficient de frottement de 0,040+/-0,005. La vitesse d'usure moyenne est de 0,45. Bien que cette solution résiste aussi à l'usure, grâce aux additifs anti-usure de l'huile, elle donne toutefois un coefficient de frottement plus élevé de 30 %. A titre de comparaison, le frottement d'une bille revêtue DLC (DCX0) face à un plan, acier en utilisant une huile SAE 5W30 (sans aucun modificateur de frottement), donne une vitesse d'usure de 0,3+/-0,05 jum3/ cycle, par contre le coefficient de frottement se stabilise à 0,12. Dans une huile SAE 5W30 comportant un additif de réduction de frottement de type acide gras, la vitesse d'usure est de 0,32+/-0,05 jum3/ cycle et le coefficient de frottement est de 0,08. Il ressort de ce qui précède, que les revêtements de DLC de type DCX-0 résistent bien à l'usure dans des huiles sans MoDTC en observant que ces huiles ne permettent pas d'obtenir des coefficients de frottement aussi bas que celles contenant du MoDTC. Autrement dit, la combinaison DLC face à un antagoniste de frottement en acier, MoDTC n'est pas compatible pour réaliser les deux fonctions, à savoir, résister à l'usure d'une part, et obtenir un coefficient de frottement aussi bas que possible d'autre part, alors que la combinaison revendiquée, à savoir, nitrure de chrome et MoDTC permet avantageusement de réaliser ces deux fonctions. L'invention concerne également l'utilisation de pièces ainsi revêtues et travaillant dans un milieu lubrifié contenant du MoDTC dans le domaine de l'automobile, notamment pour les moteurs et les boîtes de vitesses.