Tribologie/Revêtements anti-usure
Généralités.
Les matériaux d'apport utilisables pour diminuer le frottement et l'usure sont extrêmement divers : 
Pour des applications particulières le lecteur pourra aussi se reporter au chapitre consacré aux applications pratiques de la tribologie, en particulier pour tout ce qui concerne les outils de coupe.
Revêtements par voie chimique humide.
On dépose par exemple contre l'usure des couches d'alliage nickel-phosphore, dans l'industrie automobile. Les alliages légers ou ultralégers peuvent recevoir du nickel ou du plomb.
Les revêtements minces inorganiques sans chrome Dacral, conformes aux nouvelles normes européennes, sont de couleur gris aluminium. Ils sont destinés à protéger de la corrosion des pièces en acier, en fonte ou autres métaux ferreux et concernent particulièrement les vis, écrous, agrafes, etc., destinés à la construction automobile. Selon le fabricant, le Géomet 321 est constitué de lamelles de zinc et d’aluminium dans une matrice inorganique, avec une épaisseur de 5 et 10 µm. Son application n’entraîne pas de fragilisation par l’hydrogène. Le revêtement est appliqué par immersion à froid dans une dispersion aqueuse ou par pulvérisation, sans électrolyse. Le Géomet 500 offre en plus une lubrification intégrée.
Revêtements par voie électrochimique.
La solution des problèmes de frottement passe souvent par des dépôts électrolytiques mous ou au contraire très durs, qui tiennent bien s'ils forment une chaîne continue de solutions solides entre le métal de base et le dépôt final, avec des limites d'élasticité et des coefficients de dilatation régulièrement étagés.
Les dépôts vieillissent par diffusion des couches intermédiaires à travers la couche extrême, labourage, fluage du support, arrachement par pression exagérée, fluage et refoulement de la couche superficielle surtout si elle est trop épaisse, fatigue en cas de contraintes de tension, fragilisation par l'hydrogène. Ne pas envoyer au traitement des pièces présentant des tensions résiduelles, enlever les couches de Beilby, polir car la rugosité s'accentue avec le dépôt, revêtir l'antagoniste d'un métal insoluble dans chacun de ceux du dépôt, choisir une épaisseur optimale.
Parmi les métaux qui peuvent être déposés, citons l'argent, le chrome, l'or, l'étain, le cadmium, le zinc, le plomb, l'indium, ... Certains revêtements peuvent frotter sans lubrification jusqu'à 200-300 °C : 5 à 10 micromètres d'argent ou de nickel-cadmium contre l'acier pour des assemblages à faible jeu, or contre chrome ... Le dépôt argent-indium est très efficace contre la corrosion de contact à chaud (500 °C), l'or peut frotter sur l'acier inoxydable dans le fluor ou d'autres ambiances particulières.
Dépôts de nickel.
Des dépôts durs de nickel, allant de 10 ou 20 micromètres à plus de 12 mm, protègent de l'usure l'intérieur de vannes en aluminium, des arbres de pompes, des pistons de presses hydrauliques ... ou permettent de rénover certaines pièces. Le nickel qui frotte mal contre lui-même se montre intéressant contre la corrosion de contact en présence d'acier lubrifié, surtout avec 8 % de phosphore (procédé Kanigen). Le dépôt de nickel peut être associé avec du phosphore, qui permet de moduler la résistance à la corrosion et la dureté du revêtement, selon l'usage prévu pour la pièce traitée. Un haut degré de phosphore ou un traitement thermique de diffusion améliorent la résistance à la corrosion. Pour un taux de phosphore moyen la dureté est de l'ordre de 550 Vickers mini mais elle peut atteindre 900 à 950 Vickers avec un traitement thermique de durcissement (Acier prétraité = 200 Hv, acier trempé = 550 Hv, diamant = 2200 Hv). La résistance à l'usure est au contraire optimale avec un traitement thermique adapté ou un nickel bas phosphore. Le coefficient de frottement nickel/acier est inférieur de 30% à celui de l’acier/acier (contrairement à un nickel électrolytique pur). L’état de surface initial du substrat n’est pas modifié par le traitement. La résistivité électrique et le magnétisme varient selon le taux de phosphore ou le traitement thermique réalisé. Le nickelage peut être employé comme « barrière thermique ». Propriétés diverses du nickel :
Sur des pièces de mécanique fine (tolérances serrées) on peut utiliser le procédé Nuflon NIKL ® qui est un dépôt chimique de Nickel chargé de PTFE.
Dépôt de chrome.
Le chromage dur est de tous les revêtements métalliques anti-usure celui qui glisse le mieux. Il autorise la protection de pièces neuves et le rechargement pour réparation. Par ailleurs, il est apte au contact alimentaire. Il résiste à pratiquement tous les agents chimiques courants (sauf l'acide chlorhydrique), même à haute température ; on peut l'utiliser jusqu'à 800°C dans l'air. Son pouvoir de protection contre la corrosion est considérablement amélioré par une sous couche de nickel. La dureté est très élevée, de 1000 à 1100 vickers. (Acier prétraité = 200 Hv, Acier trempé = 550 Hv, diamant = 2200 Hv). Par rapport à des pièces en acier non traité, dans le cas d'usure abrasive, la durée de vie moyenne des pièces est multipliée par 5 à 10. Le coefficient de frottement chrome/acier est diminué de moitié par rapport au coefficient acier/acier. Selon les traitements des pièces avant ou après chromage (rectification, polissage, sablage, grenaillage...) on peut faire varier le Ra de 0,01 (poli miroir) à 10 µm. L'épaisseur, déterminée en fonction des besoins, peut aller de quelques micromètres à 5/10 de mm pour la réparation. Le chrome dur, idéal pour combattre à la fois la corrosion et l'abrasion, s'associe bien au bronze non phosphoreux cuivré ou à la fonte argentée. Caractéristiques diverses du chrome :
Codéposition avec des particules dures.
Dispersion de carbures.
On peut revêtir les alliages légers et ultra légers par une dispersion de carbures, notamment de silicium, dans une couche de nickel (Nikasil, Elnisil, Galnikal, Revasil).
Le Nikasil est le nom déposé d'un dépôt électrolytique de carbure de silicium dans une matrice de nickel oléophile souvent utilisé pour le revêtement des cylindres de moteurs thermiques. Il a été mis au point en 1967 par Mahle pour permettre au rotor triangulaire des moteurs Wankel de fonctionner directement dans un carter d'alliage d'aluminium. On peut aussi l'appliquer dans les cylindres en fonte et pour regarnir des cylindres usés, en particulier ceux des très gros moteurs. Ce traitement a été développé par la suite par "US Chrome Corporation" au début des années 1990, sous le nom commercial Nicom, essentiellement pour remplacer le chromage dur. Il est aujourd'hui employé surtout pour les moteurs à hautes performances, en particulier ceux qui sont destinés à la compétition automobile et motocycliste.
Ajout de nanoparticules de diamant.
La synthèse de nanoparticules de diamant sous l'effet de détonations a été découverte dans les années 1960 mais l'étude de leurs propriétés reste aujourd'hui très incomplète. Ces particules ont des dimensions de l'ordre de 5 nm et sont constituées par un cœur de diamant enrobé de couches de graphite et de carbone amorphe susceptibles d'entrer dans de nombreuses combinaisons chimiques. Les premières recherches, conduites dans l'ancienne Union Soviétique, ont fait entrevoir une vaste gamme d'applications industrielles dont beaucoup relèvent de la tribologie : amélioration des revêtements de surfaces, polissage, lubrification, applications biomédicales, etc.
C'est dans les domaines des revêtements électrolytiques et des additifs pour la lubrification que les possibilités sont les plus grandes, mais on ne sait pas encore comment les nanoparticules agissent. Pour les uns, l'amélioration des performances est directement due à leur inclusion dans les structures des dépôts. Pour les autres, c'est leur présence qui rend la structure des dépôts moins « colonnaire » et moins poreuse.
L'ajout de nanoparticules de diamant est particulièrement efficace dans les dépôts électrolytiques à base de nickel, dont on attend qu'ils remplacent les dépôts de chrome dont la mise en œuvre nécessite des produits très toxiques. L'effet est particulièrement intéressant sur les dépôts de nickel-bore, qui colmatent les porosités de la surface de l'acier inoxydable ou d'autres métaux, améliorant ainsi la résistance à la corrosion et diminuant l'usure. Bien qu'elle reste inférieure à celle des dépôts de chrome, la dureté des dépôts à base de nickel est multipliée par 2 ou 3, sans que l'on sache trop comment, grâce aux nanoparticules de diamant.
La morphologie des couches superficielles a été étudiée grâce au microscope électronique à balayage. Les dendrites caractéristiques des dépôts de Ni-B montre clairement des colonnes dont on pense, grâce à la diffraction des rayons X, que leur structure est amorphe et non cristalline. En présence de nanoparticules de diamant, ces colonnes deviennent plus droites et plus fines. Après traitement thermique, la structure devient davantage cristalline mais avec un grain plus fin que sans nanoparticules. Le traitement augmente peu la dureté mais le module d'Young peut être doublé, tandis que la ductilité augmente.
Utilisation de nanoparticules de céramique.
La société CerMet Lab Company propose sa technique CerMet-Auto (TM), un revêtement de céramique apportée sous forme de nanoparticules introduites dans le lubrifiant. Ces particules sont véhiculées jusqu'au niveau des zones de frottement où elles se soudent au substrat métallique.
Ce produit est désormais vendu aux USA (200 $ pour 10 ml) pour être utilisé dans les moteurs des véhicules automobiles. Le fabricant assure que son utilisation est rentable, en raison de la diminution des frottements et de la baisse de consommation qui en résulte (8 novembre 2008).
Métallisation au trempé.
On recouvre l'acier et parfois les alliages légers par trempage dans un bain de métaux fondus : plomb, zinc, aluminium, ...
Revêtements par projection ou rechargement.
Il existe diverses techniques de projection ou de rechargement par flamme, plasma, arc électrique, laser, ... de produits durs, métaux ou céramiques utilisés contre l'usure, notamment abrasive. Cette dernière dépend directement de la taille des phases dures dispersées dans les matrices métalliques, mais aussi de la forme et de la texture des matériaux abrasifs. Les conditions d'usure étant peu reproductibles en laboratoire, les innovations sont rares et ceux qui ont obtenu des résultats acceptables semblent parfois craintifs lorsqu'il sagit de les mettre en œuvre.
Le laser permet le dépôt de poudres projetées dans un flux de gaz. L'action thermique très rapide et localisée limite l'échauffement et la déformation des pièces où les composés sont mélangés par la fusion superficielle. La formation d'alliages nitrurés, cémentés, avec des carbures, permet des compositions impossibles par d'autres techniques. Les surfaces plus dures, de structure plus fine, portent des couches homogènes très adhérentes. Les dépôts peuvent cependant présenter des défauts et il faut optimiser les conditions opératoires. On peut traiter des zones de quelques mm² seulement, ou dont l'accès est difficile.
Les alliages durs à base de fer, nickel, cobalt, avec ou sans produits céramiques, sont en général déposés par arc électrique ou projection de poudre éventuellement, la couche obtenue étant parfois refondue sur place. Le chrome apporte la résistance à l'érosion, le cobalt la tenue à la chaleur, le nickel la résistance à la corrosion et la ténacité, le carbure de tungstène et le molybdène la résistance à l'abrasion. Mentionnons les alliages nickel-chrome-bore-silicium, nickel-aluminium à 5 % ou nickel-chrome-aluminium. 
Les pseudoalliages cobalt-carbure de tungstène ou de titane, nickel-chrome-carbure de chrome, ... sont déposés par arc électrique ou plasma ; le chalumeau est utilisé pour les petites pièces et conseillé pour les revêtements riches en chrome. Le cobalt des stellites est un matériau stratégique dont l'approvisionnement peut devenir aléatoire. En outre il devient radioactif en milieu nucléaire où ses débris d'usure posent des problèmes. À dureté égale, les substituts sont moins résilients.
Les céramiques ou leurs combinaisons ont pour point faible leur manque de résilience et d'allongement qui impose un support extrêmement rigide, et pour point fort leur grande dureté permettant le poli spéculaire. À côté de l'alumine on trouve l'oxyde de chrome Cr2O3 utilisé en dépôt à 98 % pour la pignonnerie. Les alliages nickel-aluminium remplacent le molybdène comme sous-couche d'accrochage.
Métallisation au fil ou à la poudre.
C'est essentiellement une technique de réparation. Le métal de rechargement est apporté sous la forme de fil ou de poudre, il est projeté sur la pièce dans la flamme d'un chalumeau. La rapidité du procédé fait que la pièce ne subit pratiquement aucun échauffement lors du dépôt, mais l'absence de fusion superficielle fait que les revêtements obtenus sont le plus souvent poreux, ce qui, d'ailleurs, n'est pas forcément un inconvénient. 
On peut déposer par ce moyen des métaux très divers, acier au carbone, acier inoxydable, acier au chrome, aluminium, bronze, cuivre, molybdène, etc.
Les revêtements obtenus ainsi permettent de lutter contre la corrosion et surtout de remettre en état des pièces localement endommagées dans des zones de portées (montages de roulements) ou dans des zones soumises à des frottements intenses (portées de joints d'étanchéité, tiges de vérins). Par ailleurs, ils constituent également une très bonne base d'accrochage pour les peintures .
Métallisation-refusion.
Le principe est le même que pour la métallisation « ordinaire » au chalumeau mais l'opération de dépôt est suivie d'une fusion superficielle des pièces qui permet de réaliser des revêtements compacts, exempts de porosité. Le refroidissement rapide et le choix plus vaste des matériaux à déposer permettent d'obtenir des couches superficielles de grande dureté (jusqu'à 75 HRC), très résistantes aux diverses forme d'usure et à l'oxydation.
On dépose de cette façon des alliages à base de nickel, de chrome, éventuellement chargés en produits durs (par exemple nickel + carbure de tungstène), des alliages réfractaires à base de cobalt (Stellites), etc.
Les applications pratiques sont nombreuses, on peut citer par exemple les pistons plongeurs de pompes et surpresseurs, les arbres de pompe, les portées de joints d'étanchéité, les sièges de vannes et les zones de travail de certains outillages de fabrication, comme les cônes de tréfilage.
Projection plasma.
Le principe est toujours le même mais les torches à plasma permettent d'obtenir des températures beaucoup plus élevées qu'avec les simples chalumeaux (jusqu'à 18000 °C) et des vitesses de projection largement supersoniques pouvant atteindre Mach 2.
On dépose par ce procédé des matériaux non métalliques, surtout des oxydes très réfractaires de chrome, d'aluminium ou de titane.
La résistance à la corrosion est excellente et la tenue à l'usure permet de préconiser ce type de revêtement pour les portées de joints d'étanchéite soumises à des conditions sévères, les pistons, arbres de pompes ou douilles d'usure diverses.
Les revêtements de carbure de tungstène fondu fournissent l'une des meilleures solutions possibles pour résoudre les problèmes d'abrasion les plus sévères. Ceci concerne de très nombreuses pièces actives des broyeurs, des mélangeurs, des systèmes de râclage, les vis de briquetterie et les vis d'Archimède qui servent au transport de produits minéraux, de céréales, etc.
Projection supersonique.
Des particules métalliques sont introduites dans une veine gazeuse en combustion (2800°C). Les températures sont plus basses qu'avec le plasma mais les vitesses de projection sont très élevées, jusqu'à Mach 5 à Mach 6 au moment de l'impact. Les revêtements ainsi obtenus sont parmi les meilleurs que l'on sache obtenir, par leur homogénéité, leur absence de porosité et leur excellent accrochage sur le support. La dureté est très élevée.
Les matériaux les plus couramment utilisés sont les aciers inoxydables, les bronzex, le cuivre, les superalliages, les carbures de tungstène et de chrome, les stellites.
Le procédé est recommandé pour les pièces de guidage, les rails de glissières, les turbines et les pompes destinées aux liquides chargés et corrosifs.
Plasma transféré, soudage, stellitage.
Il s'agit d'une adaptation des procédés ARC, MIG et TIG, applicable au dépôt par soudures de la plupart des métaux sous forme de couches très épaisses. On la préconise pour la remise en état des pièces très fortement usées.
Les matériaux souvent déposés par ce procédé sont les alliages à base de cobalt (stellites), les aciers inoxydables et réfractaires, le nickel associé au carbure de tungstène.
On traite de cette façon les clapets, sièges de vannes, douilles d'usure de toutes sortes, ainsi que les vis d'extrusion.
Douilles d'usure
Projection de mélanges.
Le revêtement SkidCoat, de la société Métallisation Nord industrie, est un mélange céramique-polymère semi-cristallin déposé par projection plasma. Depuis plusieurs années, les fluoropolymères sont de plus en plus présents dans diverses applications dues à leurs propriétés uniques telles qu’une résistance chimique importante et un bas coefficient de frottement.
Toutefois, ces matériaux très performants offrent une résistance assez pauvre à la corrosion et à l’usure. Afin d’améliorer et de renforcer ces propriétés, une structure composite céramique polymère a été développée par la société Métallisation Nord Industrie.
Ce revêtement est utilisé dans des domaines tels que l'industrie du papier, l'imprimerie, l'agroalimentaire, la plasturgie, l'automobile ou l'aéronautique. Il remplace les revêtements traditionnels avec une tenue aux chocs mécaniques et à la flexion largement supérieures. Le polymère est par ailleurs hydrophobe et résiste à la corrosion et à l'abrasion.
Le revêtement Carflon proposé par la même société est un composite de carbure de tungstène et de PTFE projeté à une vitesse largement supersonique (mach6) à l'aide d'un appareil à détonation. Il est très dur, résiste aux chocs, à l'abrasion, à la corrosion de contact et à de nombreux produits chimiques. Il est de plus anti-adhérant et présente un faible coefficient de frottement en face de nombreux autres matériaux.
De même, le revêtement Slidcoat est un composite céramique et PTFE. Moins résistant à l'usure que le Carflon, il présente un excellent coefficient de frottement.
Implantation ionique.
Dans un premier temps les ions du matériau sélectionné bombardent et nettoyent la surface à traiter puis, accélérés à plus haute tension, quelques centaines de keV, ils s'introduisent sur environ 1/2 micromètre dans l'épaisseur de la pièce dont ils modifient la composition chimique et les propriétés physiques. Il n'y a pas d'échauffement notable de la surface traitée, qui ne se déforme pas et ne change pas de rugosité. Comme il n'y a pas d'interface, il n'y a pas non plus de problème d'adhérence sur le substrat mais la température limite d'utilisation des couches implantées ne dépasse pas 250-300 °C.
On traite couramment l'acier, le titane, les métaux réfractaires ou les revêtements comme le chrome dur, sur lesquels on implante de l'azote, du chrome, du molybdène, du titane, du bore, du carbone ... ; plus spécialement contre le frottement, on emploie du nitrure de titane très dur, du fer, de l'aluminium, des alliages fer-cadmium ou aluminium-cadmium ...
L'implantation ionique est facile à industrialiser et particulièrement intéressante pour des pièces de haute précision finies d'usinage. Il n'y a pas de pollution chimique et on note une plus grande diversité de matériaux déposables et de substrats possibles qu'avec le dépôt chimique en phase gazeuse (CVD). 
L'azote est de loin l'élément le plus utilisé. Le coefficient de frottement est alors inchangé mais le régime d'usure douce qui s'installe diminue la vitesse de dégradation d'un facteur 10 à 30, par exemple pour l'acier 35 CD 4, et il y a moins de risques lors du rodage. On améliore la résistance à la piqûre des aciers inoxydables par l'implantation de molybdène et de chrome, et la résistance à l'oxydation avec l'aluminium ou l'yttrium. 
Parmi les applications, citons les prothèses chirurgicales, les roulements pour la construction aéronautique, les mécanismes tournants, paliers, rotules, ... dans des conditions sévères, les matrices, moules et autres outillages de précision pour les plastiques, ...
On peut implanter des ions sur des métaux, mais aussi sur des céramiques ou sur des plastiques
Dépôts en phase gazeuse (C.V.D.).
Les initiales signifient Chemical Vapor Deposition. Le procédé, connu depuis 1930, a été développé industriellement à partir de 1950. Des réactifs gazeux mélangés, parfois dilués dans un gaz porteur inerte comme l'argon, arrivent au contact de la pièce chauffée entre 600 et 1200°C. Le produit des réactions, par des effets d'adsorption et de catalyse, germe et croît sur la surface pour former selon les conditions une couche pulvérulente non adhérente, une couche polycristalline à grain fin, une couche de cristaux colonnaires, voire une couche monocristalline épitaxique. Les réactions sont de type pyrolyse ou plus souvent de type réduction.
Parmi les avantages, citons celui de pouvoir déposer un choix quasi illimité de matériaux en couches très pures, compactes, étanches et très adhérentes, y compris des matières réfractaires à des températures modérées et certaines substances impossibles à déposer autrement. Le dépôt est précis, facilement contrôlable, le dopage et l'épitaxie sont possibles, on peut travailler à la pression atmosphérique. En revanche, la cinétique des réactions est souvent complexe, les températures élevées peuvent modifier les structures, les gaz utilisés sont souvent toxiques, explosifs ou corrosifs, les temps de traitement peuvent être très longs. Il existe quelques limitations à connaître ; par exemple, les lois de la thermodynamique autorisent de déposer de l'aluminium sur du chrome mais non l'inverse. En outre, le coût est élevé.
On dépose contre l'usure des couches de protection en tantale, niobium, en céramiques ... La durée de vie des outils peut être multipliée par un facteur qui peut aller de 2 à 100 grâce à des revêtements de carbures et nitrures de titane, d'alumine, de borures, de carbure de tungstène, de nitrure d'hafnium ...
La structure des alliages quasicristallins a révolutionné la cristallographie classique. Au-delà de cette curiosité scientifique, ces alliages stables présentent des propriétés singulières. Les techniques de projection thermique et de PVD (dépôt physique en phase vapeur) permettent d'en réaliser des revêtements de surface où leurs propriétés s'expriment pleinement. Ils peuvent être déposés sur la plupart des substrats (aluminium, cuivre, acier, acier inoxydable, céramiques, oxydes, silicium.) avec un excellent niveau d'adhérence et de compacité.
Applications : protection de surface contre l'usure par frottement, rayures, agressions mécaniques, antiadhérence y compris dans le domaine alimentaire, barrières thermiques jusqu'à 900°C, couches d'accrochage superplastiques, tribologie (bas coefficient de frottement).
Revêtements physiques sous vide (P.V.D.).