Brevet FR3059757A1 — publié le 20180608

PIECE DE FROTTEMENT, SYSTEME MECANIQUE COMPRENANT UNE TELLE PIECE DE FROTTEMENT, ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE La présente invention concerne une pièce de frottement, susceptible d'être sollicitée à hautes températures en milieu lubrifié. L'invention concerne également un système mécanique comprenant une telle pièce. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'une telle pièce. Le domaine de l'invention est celui des pièces de frottement métalliques revêtues d'une couche mince, permettant une réduction du frottement en milieu lubrifié. A titre d'exemple non limitatif, la pièce de frottement peut être un segment de moteur automobile, et plus particulièrement le segment coupe-feu. En pratique, les segments sont soumis à des températures de fonctionnement supérieures à 200°C, en milieu lubrifié susceptible d'être appauvri. Selon d'autres exemples non limitatifs, le revêtement en couche mince peut être appliqué sur un axe de piston, une jupe de piston, toute autre partie de piston, ou toute autre pièce qui pourrait être soumise à un fonctionnement à température élevée. Dans les applications industrielles, la présence d'un film lubrifiant séparant deux pièces de frottement permet d'obtenir de faibles niveaux d'usure, grâce à l'absence totale de contact entre ces deux pièces. Dans certains cas, un film continu ne peut pas être maintenu dans la durée, ce qui provoque des interactions directes entre les deux pièces. La discontinuité du film lubrifiant est la caractéristique principale de la lubrification en "régime mixte" et en « régime limite ». Dans l'industrie automobile, les revêtements en couche mince de DLC (« Diamond Like Carbon » en anglais) sont largement utilisés pour réduire le frottement entre pièces. En pratique, la réduction du frottement entre pièces revêtues de DLC intervient essentiellement dans le régime mixte de lubrification. Une particularité essentielle des revêtements de DLC tient au fait que la rugosité des surfaces diminue au cours du temps et tend vers des valeurs particulièrement basses. Ainsi, la transition de la lubrification du régime limite vers le régime mixte, ou encore du régime mixte vers le régime hydrodynamique, se décale vers des valeurs plus basses de vitesse. 3059757 2 Contrairement aux surfaces revêtues de DLC, des surfaces en acier initialement polies voient leur rugosité augmenter dans le temps. En réagissant sur les surfaces, les additifs anti-usure de type ZDTP forment des ilots augmentant localement la rugosité. 5 Certains contacts lubrifiés opèrent de manière permanente à des températures supérieures à 200°C, et de manière transitoire à des températures encore plus élevées. Ces contacts sont assez mal lubrifiés, ce qui explique d'ailleurs les températures élevées qui y sont relevés. 10 Dans de telles conditions de fonctionnement, l'usure d'un revêtement de DLC est relativement rapide. On observe un comportement stochastique de cette usure, probablement dû au fait que la lubrification est assez faible et mal maîtrisée. Le revêtement de DLC présente alors une usure par polissage et la couche de 15 revêtement se consomme, suivant un mécanisme qui s'apparente à de l'oxydation. Le carbone et l'hydrogène de la couche de revêtement se combinent à l'oxygène ambient pour former de l'eau et du dioxyde de carbone. L'appauvrissement en lubrifiant et l'augmentation de température à l'interface de contact entre les pièces de frottement conduisent à une oxydation accélérée du revêtement de DLC, jusqu'à sa disparition. Le 20 caractère mal maitrisé de la lubrification, combiné à des températures élevées, conduit ainsi à une augmentation de la vitesse d'usure. Aujourd'hui, deux approches permettent de faire face aux problèmes ci-dessus. La première approche consiste à utiliser des revêtements constitués d'alliage de 25 chrome ou nitrures de chrome, qui présentent une résistance élevée dans des conditions de fonctionnement à haute température et lubrification pauvre, au sacrifice de la réduction du frottement. Cette approche correspond à des conceptions anciennes de systèmes mécaniques, tels que les segments coupe-feu de moteur automobile, couramment revêtus par des couches à base de chrome. Cette approche ne permet pas d'abaisser les 30 pertes par frottement en comparaison avec un acier non revêtu, mais permet tout de même de protéger les surfaces contre l'usure et le grippage. La seconde approche consisterait à améliorer la lubrification associée à un revêtement de DLC, ce qui permettrait une meilleure évacuation des calories et la protection du revêtement vis-à-vis de l'oxygène. Cette approche nécessiterait de modifier 35 la conception des systèmes mécaniques pour distribuer le lubrifiant, ainsi que d'augmenter les débits de lubrifiant, et donc l'énergie consommée pour assurer la 3059757 3 circulation de ce lubrifiant. En pratique, cette seconde approche n'est pas mise en oeuvre en raison des surcoûts de conception, et du fait que l'efficacité énergétique apportée par le revêtement serait contrebalancée par les efforts nécessaires pour avoir une lubrification abondante. 5 Le but de la présente invention est de proposer une pièce de frottement améliorée, remédiant aux inconvénients ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour objet une pièce de frottement, comportant une 10 surface métallique et une couche de revêtement externe, caractérisée en ce que la couche de revêtement externe est composée de carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N) avec entre 5 et 12 % atomique d'azote. Ainsi, l'invention permet de réduire le frottement subi par la couche de revêtement 15 en milieu lubrifié, en particulier en régime de lubrification mixte, tout en améliorant sa résistance aux températures de sollicitation élevées, notamment supérieures à 200°C. En comparaison avec un revêtement DLC, les matériaux de revêtement selon l'invention résistent bien mieux à l'usure à chaud, en raison de leur meilleure stabilité thermique et tenue à l'oxydation, tout en procurant un abaissement de frottement 20 satisfaisant. En comparaison avec un revêtement du type nitrure de chrome CrN ou carbure de tungstène WC (avec 6 % Co en masse), les matériaux de revêtement du type carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N) selon l'invention permettent d'abaisser le frottement, tout en procurant une tenue à l'oxydation satisfaisante. 25 Certaines caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison, sont détaillées ci-après. Selon un mode de réalisation particulier, la couche de revêtement externe est en 30 carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N), avec : - entre 40 et 43 % atomique de carbone, - entre 40 et 43 % atomique de tungstène, - entre 7 et 9 % atomique de cobalt, - entre 5 et 12 % atomique d'azote, 35 - autres composés pour un total compris entre 0 et 8 % atomique. 3059757 4 En pratique, la couche de revêtement externe est formée par pulvérisation sous vide d'une cible de carbure de tungstène WC, avec introduction d'un débit d'azote. Classiquement, la fabrication de la pièce de frottement comprend une étape de 5 décapage de la surface métallique à revêtir, notamment un décapage ionique, avant le dépôt de la couche de revêtement externe. Selon un mode de réalisation particulier, la surface métallique est revêtue uniquement avec la couche de revêtement externe, en excluant la présence d'une sous- 10 couche entre la surface métallique et la couche de revêtement externe. En alternative, la surface métallique est revêtue avec au moins une sous-couche formée sous la couche de revêtement externe. Cette sous-couche est par exemple composée de chrome ou de nitrure de chrome. 15 L'invention a également pour objet un système mécanique, comprenant une première pièce de frottement telle que mentionnée ci-dessus, une seconde pièce de frottement disposée en contact lubrifié avec la première pièce de frottement, et un lubrifiant disposé à une interface de contact lubrifié entre les pièces de frottement. 20 Selon un mode de réalisation particulier, la seconde pièce de frottement est similaire à la première pièce de frottement. Autrement dit, la seconde pièce de frottement comporte une surface métallique et une couche de revêtement externe déposée sur la surface métallique, la couche de revêtement externe de la seconde pièce de frottement 25 étant composée de carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N) avec entre 5 et 12 % atomique d'azote. De préférence, la couche de revêtement externe de la première pièce de frottement et la couche de revêtement externe de la seconde pièce de frottement ont la même composition. 30 En alternative, les couches de revêtement peuvent avoir des compositions différentes, avec néanmoins 5 à 12 % atomique d'azote. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'une pièce de frottement telle que mentionnée ci-dessus. Le procédé est caractérisé en ce qu'il 35 comprend des étapes consistant à : 3059757 5 - disposer une seconde pièce de frottement en contact lubrifié avec la pièce de frottement ; - disposer un lubrifiant à une interface de contact lubrifié entre les pièces de frottement ; et 5 - actionner les pièces de frottement, de sorte que l'interface de contact lubrifié entre les pièces de frottement atteint une température supérieure à 200 °C. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins 10 annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique partielle d'un système mécanique conforme à l'invention, en coupe transversale ; - la figure 2 est une représentation analogue à la figure 1, montrant un système mécanique conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; 15 - la figure 3 est une représentation analogue à la figure 1, montrant un système mécanique conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est une représentation schématique d'un banc d'essai, utilisé pour identifier les matériaux de revêtement conformes à l'invention ; - les figures 5, 6 et 7 sont des graphes illustrant différentes étapes d'identification 20 des matériaux de revêtement conformes à l'invention. Sur la figure 1 est représenté, partiellement et schématiquement, un système mécanique 1 conforme à l'invention. Le système mécanique 1 comprend deux pièces de frottement 10 et 20 séparées 25 par un lubrifiant 3 à leur interface de contact 2. En pratique, cette interface 2 est soumise à des températures de fonctionnement supérieures à 200°C. Dans ces conditions, le lubrifiant 3 est susceptible d'être appauvri. Les pièces 10 et 20 sont animées d'un mouvement relatif en translation et/ou en 30 rotation. Dans un but de simplification, les pièces 10 et 20 peuvent présenter toutes formes et agencement adaptés à l'application visée, autrement dit adaptés au type de système mécanique 1. Les pièces 10 et 20 sont en métal, de préférence en acier. La pièce 10 comprend un corps 11, une surface externe 12, et une couche de revêtement externe 14 déposé sur la surface 12. La couche 14 présente une surface 35 interne 15 et une surface externe 16. La surface 15 est solidarisée à la surface métallique 3059757 6 12 lors du dépôt de la couche 14. La surface 16 fait face à la pièce 20 au niveau de l'interface de contact lubrifié 2. La pièce 20 comprend un corps 21 et une surface externe 22. La pièce 20 est dépourvue de couche de revêtement externe. La surface 22 fait face à la pièce 10 au 5 niveau de l'interface de contact lubrifié 2. En régime limite ou mixte, la surface 16 de la couche de revêtement 14 et la surface 22 de la pièce 20 sont en contact par endroits, à l'interface de contact lubrifié 2 entre les pièces 10 et 20. Ainsi, le lubrifiant 3 forme un film discontinu entre les surfaces 10 16 et 22, à l'interface 2. Le lubrifiant 3 est choisi en fonction de l'application visée, autrement dit en fonction du type de système mécanique 1. A titre d'exemple, le lubrifiant 3 peut être un lubrifiant automobile du commerce, tel qu'une huile SAE 5W30 comportant des additifs classiques. 15 Selon l'invention, la couche de revêtement 14 est un composé de type carbure de tungstène dopé azote WC(N), avec entre 5 et 12 % atomique d'azote inclus. En pratique, une telle couche de revêtement 14 est bien adaptée pour opérer en milieu lubrifié à des températures supérieures à 200°C. Ainsi, la pièce 10 comportant la couche de revêtement 14 est adaptée pour opérer en milieu lubrifié à des températures 20 supérieures à 200 °C. De façon inattendue, le dopage de couches de carbure de tungstène par de l'azote conduit à une réduction de frottement en milieu lubrifié, par rapport aux matériaux conventionnels dont le carbure de tungstène WC non dopé ou faiblement dopé (% atomique d'azote inférieur à 5 %). 25 Sur les figures 2 et 3 sont représentés, partiellement et schématiquement, des systèmes mécaniques 1 conformes à d'autres modes de réalisation de l'invention. Les éléments constitutifs du système 1, qui sont similaires au premier mode de réalisation, portent les mêmes références numériques. Seules les différences avec le premier mode 30 de réalisation sont détaillées ci-après. Sur la figure 2, la pièce 10 comporte une sous-couche 18 formée entre le corps 11 et la couche de revêtement 14. La surface 12 est revêtue avec la sous-couche 18, puis avec la couche de revêtement 14. A titre d'exemples non limitatifs, la sous-couche peut 35 être composée de chrome ou de nitrure de chrome. Le nitrure de chrome peut être déposé par pulvérisation cathodique magnétron réactive. 3059757 7 Sur la figure 3, la pièce 20 comporte une couche de revêtement externe 24 déposée sur la surface 22. La couche 24 présente une surface interne 25 et une surface externe 26. La surface 25 est solidarisée à la surface métallique 22 lors du dépôt de la 5 couche 24. La surface 26 fait face à la pièce 10 au niveau de l'interface de contact lubrifié 2. Le lubrifiant 3 forme un film discontinu entre les surfaces 16 et 26 des couches de revêtement 14 et 24, à l'interface de contact lubrifié 2 entre les pièces 10 et 20. Selon un mode de réalisation particulier, la pièce 20 est également conforme à l'invention. Autrement dit, la couche de revêtement externe 24 a une composition de type 10 carbure de tungstène dopé azote WC(N) avec entre 5 et 12 % atomique d'azote. Dans ce cas particulier, où les deux surfaces 12 et 22 des pièces 10 et 20 sont revêtues, les couches 14 et 24 ont de préférence une composition similaire. En alternative, la pièce 20 peut comporter une couche de revêtement externe 24 ayant une composition différente de la couche 14. 15 Par ailleurs, la pièce 20 peut comporter une sous-couche formée entre le corps 21 et la couche de revêtement 24, comme décrit ci-dessus pour la pièce 10 en référence à la figure 2. La méthode d'identification de matériaux de revêtement susceptibles de résister 20 dans des conditions de lubrification et de haute température est détaillée ci-après. Cette méthode consiste à déposer une couche de revêtement sur des éprouvettes en acier, puis caractériser les différents revêtements, d'une part, par frottement dans un lubrifiant et, d'autre part, par résistance à une température de 350°C. Les matériaux de revêtement testés sont les suivants : nitrure de chrome CrN, 25 carbure de tungstène WC, carbures de tungstène dopés à l'azote WC(N), DLC type a- C:H. Préalablement aux dépôts de revêtement, toutes les éprouvettes subissent les mêmes étapes de préparation. Les éprouvettes sont dégraissées et positionnées sur un 30 porte échantillon rotatif animé d'un mouvement planétaire, selon l'état de l'art des dépôts sous vide de couches minces dures. On procède au pompage de l'enceinte à vide. Le pompage est effectué en même temps qu'un chauffage à 150°C qui permet d'activer les phénomènes de désorption et d'améliorer la qualité du vide. Au bout de 2h30 de chauffage, on s'assure que la pression mesurée par une jauge Penning est inférieure à 35 2x10-5 mbar. On procède alors au décapage ionique des éprouvettes en acier dans un plasma d'argon, pendant une heure sous une tension de -150V appliquée aux 3059757 8 éprouvettes. A l'issue du décapage, l'oxyde de passivation des éprouvettes a disparu et les surfaces sont aptes à recevoir un dépôt. Le dépôt de nitrure de chrome est réalisé par pulvérisation cathodique magnétron 5 réactive. Pendant la fin du décapage ionique de l'éprouvette, la cathode magnétron est allumée sous 5kW derrière un cache de pré-pulvérisation pour nettoyer sa surface pendant 5 minutes. A la fin du décapage, on maintient le plasma d'assistance ionique, on abaisse la tension de polarisation à -50V et on ouvre le cache de sorte que l'on commence à déposer une fine couche de chrome. Pendant le dépôt de cette couche, on 10 mesure l'intensité émise par les atomes de chrome dans le plasma à une longueur d'onde de 520 nm. Cette intensité lumineuse est normée à 100 et on introduit un débit d'azote jusqu'à ce que la lumière émise par le chrome diminue à une valeur de 50 % de l'intensité émise en argon pur. En 3h de dépôt, on obtient ainsi une couche de CrN de 2,7 pm d'épaisseur et d'une dureté de 1900 Hv sous 10 mN. 15 Le dépôt de carbure de tungstène est réalisé par pulvérisation d'une cible de carbure de tungstène à 6 % de liant cobalt en masse. La cible est nettoyée sous cache pendant 5 minutes en fin de décapage ionique. Une fois le décapage ionique terminé, on éteint le plasma d'assistance ionique et on ouvre le cache de pré-pulvérisation pour 20 débuter le dépôt de WC. En 3h de dépôt, on obtient une couche de 2,1 pm d'épaisseur et d'une dureté de 1900 Hv sous 10 mN. Les dépôts de carbure de tungstène dopés en azote sont réalisés en introduisant un débit de gaz réactif dans le flux pulvérisé. 25 Quel que soit le débit d'azote à partir de 60 sccm d'azote, la composition de la couche de revêtement est stable et des analyses EDX indiquent une composition comportant 40 at.% de carbone, 12 at.% d'azote, 8 at.% de cobalt et 40 at.% de tungstène. Dans ces conditions, les dépôts dopés à l'azote présentent une dureté de 2900 Hv, nettement plus élevée que celle d'un dépôt de WC sans gaz réactif. 30 Les caractéristiques des dépôts sont résumées dans le Tableau 1 ci-après. Les dépôts notés de WCO à WC4 sont effectués à débit d'azote croissant jusqu'à saturation en azote (60 sccm dans le cas particulier des conditions de dépôt utilisées ici). 3059757 9 Tableau 1 - dépôts de carbure de tungstène dopés en azote Référence % at N % at Co % at W % at C Hv en kg.mm-2 E' Conformité en GPa WCO 0 10 45 45 2200 270 NC WC1 2 10 44 44 2400 290 NC WC2 5 9 43 43 2850 305 C WC3 9 9 41 41 2950 310 C WC4 12 8 40 40 2900 315 C Enfin, le dépôt de DLC type a-C:H est réalisé par combinaison d'une technologie de dépôt PVD pour déposer une sous-couche à base de WC, qu'on enrichit 5 progressivement en carbone pour obtenir une composition propre à promouvoir l'adhérence de la couche de DLC élaborée en PACVD, tel que décrit dans le document W02012/156647. Le dépôt ainsi obtenu se compose d'une couche à base de W de 0,8 pm d'épaisseur, sur laquelle on a déposé une couche de 2,2 pm de DLC. L'épaisseur totale de dépôt est de 3pm et la dureté superficielle est de 3200 Hv. 10 Les figures 4 à 7 illustrent un premier test de caractérisation, consistant à réaliser une série d'essais tribologiques sur les éprouvettes. La figure 4 est une représentation schématique d'un banc d'essai 30, constituant 15 un tribomètre. L'objectif de la série d'essais est de démontrer le potentiel de matériaux de revêtement particuliers à réduire le frottement en milieu lubrifié, en comparaison avec un contact acier/acier. Afin de ne tester que les effets des revêtements, on s'assure que les essais soient réalisés dans les mêmes conditions. En particulier, l'ensemble des éprouvettes présente une rugosité initiale identique. 20 Le banc d'essai 30 est utilisé pour caractériser le frottement au sein d'un système mécanique 40 constitué par deux éprouvettes 41 et 42 en acier, à savoir un cylindre 41 et un disque 42. Les essais successifs mettent en oeuvre plusieurs systèmes 40, et donc plusieurs éprouvettes 41 et 42. Dans un système 40 de référence, les éprouvettes 41 et 42 ne reçoivent pas de revêtement, ce qui permet de caractériser le contact acier/acier. 25 Dans chacun des autres systèmes 40, les éprouvettes 41 et 42 reçoivent le même matériau de revêtement. Le test de deux éprouvettes 41 et 42 revêtues frottant l'une contre l'autre correspond à la configuration de la figure 3. . Les cylindres 41 utilisés pour les essais sont des rouleaux cylindriques en acier 100Cr6, provenant d'un roulement à rouleaux. Les cylindres 41 présentent un diamètre de 3059757 10 10 mm. La surface des cylindres 41 est polie sur au moins une génératrice jusqu'à obtenir une rugosité moyenne arithmétique Ra REVENDICATIONS1. Pièce de frottement (10), comportant une surface métallique (12) et une couche de revêtement externe (14), caractérisée en ce que la couche de revêtement externe (14) est composée de carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N) avec entre 5 et 12 % atomique d'azote. 2. Pièce de frottement (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface métallique (12) est revêtue uniquement avec la couche de revêtement externe (14). 3. Pièce de frottement (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface métallique (12) est revêtue avec au moins une sous-couche (18) formée sous la couche de revêtement externe (14). 4. Pièce de frottement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la sous-couche (18) est composée de chrome ou de nitrure de chrome. 5. Système mécanique (1), comprenant : - une première pièce de frottement (10) selon l'une des revendications 1 à 4, - une seconde pièce de frottement (20) disposée en contact lubrifié avec la première pièce de frottement (10) ; - un lubrifiant (3) disposé à une interface de contact lubrifié (2) entre les pièces de frottement (10 ; 20). 6. Système mécanique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde pièce de frottement (20) comporte une surface métallique (22) disposée directement en contact lubrifié avec la première pièce de frottement (10). 7. Système mécanique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde pièce de frottement (20) comporte une surface métallique (22) et une couche de revêtement externe (24) déposée sur la surface métallique (22), la couche de revêtement externe (24) de la seconde pièce de frottement (20) étant composée de carbure de tungstène dopé à l'azote WC(N) avec entre 5 et 12 % atomique d'azote. 3059757 17 8. Système mécanique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de revêtement externe (14) de la première pièce de frottement (10) et la couche de revêtement externe (24) de la seconde pièce de frottement (20) ont la même composition. 5 9. Procédé de mise en oeuvre d'une pièce de frottement (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le procédé comprend des étapes consistant à : - disposer une seconde pièce de frottement (20) en contact lubrifié avec la 10 pièce de frottement (10) ; - disposer un lubrifiant (3) à une interface de contact lubrifié (2) entre les pièces de frottement (10 ; 20) ; et - actionner les pièces de frottement (10 ; 20), de sorte que l'interface de contact lubrifié (2) entre les pièces de frottement (10 ; 20) atteint une 15 température supérieure à 200 °C.