Les revêtements DLC

des solutions d’avenir
Par Dominique dubois : [email protected]
T
raMetal a souvent traité des revêtements
destinés aux outils de coupe, voire aux outils de formage mais il existe un marché complémentaire
considérable, celui des revêtements anti-usure et à
faible coefficient de frottement. les applications sont
légion et ce type de produit concourt activement
aux économies d’énergie, si nécessaires actuellement. Gagner, ne fût-ce que quelques pour cent
de frottement dans un moteur à explosion, un
réacteur ou une turbine jouera directement sur le
rendement et la consommation, à puissance égale
ou supérieure, d’autant que leur durée de vie sera
notablement accrue.
Réduire les frottements grâce aux
revêtements Dylyn plus
La sévérité croissante des réglementations, l’augmentation du prix du pétrole et la compétition internationale contraignent à continuellement améliorer la performance des véhicules à moteur. La réduction des
pertes mécaniques par frottement dans les composants moteurs constitue un défi permanent pour beaucoup de concepteurs. En effet, plusieurs études ont
montré que les pertes par frottement représentent la
principale partie de la consommation d’énergie développée dans un moteur à combustion interne (de 15 à
20%). Les frottements de la jupe de piston, de la segmentation et paliers constituent 66% des pertes totales de frottement; la distribution (jusqu’à 20-25% à bas
régime), le vilebrequin, la transmission et la boîte de
vitesses contribuant au reste. Au-delà des aspects liés
à la réduction des frottements et de l’usure, la diminution de la consommation d’huile et des émissions à l’échappement représentent d’ambitieux défis.
Les revêtements offrent un large éventail de solutions pour les concepteurs et sont de plus en plus souvent employés dans l’industrie automobile. Parmi ces
revêtements, les DLC (Diamond-Like Carbon) présentent une combinaison de propriétés exceptionnelles. Ils sont auto-lubrifiants et résistent à l’usure
abrasive, adhésive et corrosive.
Les DLC offrent une combinaison unique de propriétés, inaccessibles avec un traitement de surface
classique. Possédant un bas coefficient de frottement ainsi qu’une faible énergie de surface mais
disposant d’une plus grande dureté que celles des
carbures ou du nitrure de Titane (TiN), le DLC combine
à la fois résistance à l’usure et bas coefficient de frottement. Les excellentes propriétés tribologiques sont
assurées par la formation d’une couche de “transfert”
entre les surfaces.
Le procédé
En ce qui concerne le DLC, il s’agit d’un dépôt de
carbone dur amorphe, obtenu par un plasma sous
CVD (Chemical Vapor Deposition) à moins de
200°C mais en prévoyant préalablement une couche d’accroche en technologie PVD (Physical Vapor
Deposition) obtenue en bombardant une cible en
titane. Au stade plasma CVD, du gaz butane et un
peu de toluène sont injectés et se décomposent en
donnant un dépôt de carbone dur intermédiaire
entre du diamant et du graphite. Il y trois couches
pour 3 µm au total, à savoir Ti + SiDLC + DLC. La
rugosité est très basse et l’adhésion exceptionnelle.
Les variantes existantes ont pour nom Dylin,
Dylin+, Cavidur et DLC. Chaque produit demandant
une gamme de fabrication particulière. Le traitement
est en outre “customisable” suivant les applications.
La température d’oxydation peut atteindre
500°C, la dureté varie de 15 à 30 GPa, le coefficient
de friction, comparable au Teflon, est de 0,05 pour
une rugosité inférieure à 0,01. Un revêtement CrN
reste loin derrière. En revanche le DLC craint les
chocs, les huiles additivées et les hautes températures, (le segment feu est souvent déconseillé sur
un piston).
Typiquement, les applications existantes dans
les moteurs automobiles, surtout au niveau des arbres à cames, des segments, des soupapes, linguets
et poussoirs, vont voir leur pertes par frottements
réduits de 30% ce qui peut influer de 1 à 2% sur la
consommation mais surtout joue beaucoup sur la
résistance à l’usure.
Notons que le pilotage des fours/réacteurs est
des plus pointus et que le lissage de la couche
externe obtenu dépend beaucoup du savoir faire de
l’entreprise.
La structure de DLC est amorphe et semblable
au verre. Ces revêtements sont très denses et
présentent une très faible porosité, offrant ainsi
une excellente protection contre la corrosion.
Puisque les revêtements base carbone sont chimiquement extrêmement stables, les acides ou les
bases forts ont peu ou pas d’effet.
Fig. 1 Sur ce moteur
automobile, ce
sont toutes les
pièces du haut
moteur soumises
à usure et
frottement
figurées en noir
qui sont des
applications d’un
revêtement DLC.
TRAMETAL - Octobre 2008 - 33
TÉMOIGNAGE
Les revêtements DLC :
TÉMOIGNAGE
Fig. 2 Le tableau de
commande d’un des
fours/réacteurs pendant
le traitement d’une
charge.
L’avantage unique de DylynPlus
En frottement à sec, l’effet du bas coefficient du
frottement du Dylyn Plus est évident, mais il n’est
pas applicable en tant que tel pour des composants
moteur. En régime lubrifié, l’effet du revêtement est
négligeable comme pour tous les
autres revêtements. Mais en régime intermédiaire de lubrification,
L’historique du revêtement
comme cela se produit par exemDLC en France est un peu
ple à bas régime moteur ou à froid
compliqué : Le groupe belge
pour les composants de la distriBEKAERT est assez mal
bution, la réduction du frotteconnu hormis par ses
ment apportée par le Dylyn Plus
clôtures en métal soudé,
est particulièrement sensible.
activité d’ailleurs cédée
L’application d’un revêtement
comme celle des
tribologique comme le Dylyn Plus
revêtements anti-usure.
permet également l’emploi de
Disons que Bekaert est un
matériaux plus légers afin de
des géants du fil métallique
réduire les masses en mouvement
technique utilisé aussi bien
et ainsi les frottements et la
dans les muselets de
consommation de carburant.
champe-noises que dans les
Dans ce cas encore, la résistance
carcasses radiales des
à l’usure et le faible coefficient de
pneus automobiles ou les
frottement du revêtement constihameçons.
tuent des paramètres essentiels.
Afin d’obtenir une conception optimale, il est important de
SULZER METCO est
considérer le Dylyn Plus dès le
désormais à la tête du
début de la phase de développrocédé DLC, exploité depuis
pement : le substrat doit en effet
plus de dix ans à travers
être
choisi en fonction du revêtel’Europe. En France même,
ment. Les paramètres tels que le
un établisse-ment à
matériau du substrat, les traiteLimoges, la SOREVI, et un
ments thermiques et la rugosité
autre à Bons-en- Chablais,
de surface sont d’une importance
sur les rives françaises du
primordiale pour permettre au
lac Léman, assurent le
revêtement d’atteindre sa perfordéveloppement et la
mance maximale.
production. Le DLC -
Diamond Like Carbon n’est pas la seule marque
proposée, le Cavidur est
très connu dans le monde
de la compétition
automobile tandis que le
Dylin Plus est plus adapté à
la grande série.
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L’établissement de
Bons-en-Chablais
Doté d’un laboratoire d’essais
très bien équipé avec des bancs
d’essais moteurs et du matériel de
tribologie de haut niveau, le service recherche et développement
de la division teste et affine aussi
des process sur les fours et réacteurs “maison”
assemblés à Limoges, dont le pilotage est confié à
des automates via une armée de détecteurs. Ce
procédé demande en effet une gestion assez précise sous peine de résultats hors spécifications.
Ouvert depuis 2001, ce site de production et de
recherche est certifié ISO/TS 16949 depuis cette
année. Une extension a d’ailleurs été ouverte fin
2007 pour faire face à une production en volumes
plus importants. D’autres sites, notamment aux
Etats-Unis, en Allemagne et en Belgique servent les
marchés locaux afin d’être proches des clients
majeurs.
La première étape concerne naturellement un
passage par une chaîne de lavage lessivielle de
chez FISA avec pas moins de 11 bains. A titre
d’exemple une fournée de linguets pour BMW Motos
comprend 1 400 pièces et suit un cycle de 1 heure
environ. Ensuite le traitement est effectué dans un
des trois fours dont un est de conception Bekaert et
les deux autres Sorevi (SOciété de REvêtements
sous VIde qui est devenue l’unité de Limoges). Un
cycle de revêtement mixte typique dure de 6 à 9
heures avec un enregistrement en continu de
chaque phase pour la traçabilité du process. Un
contrôle visuel unitaire et des tests statiques corrélés avec les essais au banc, pratiqués en phase de
validation, assurent la qualité des produits livrés.
Notons que de gros onduleurs sont là pour éviter
toute micro coupure électrique qui “tuerait” irrémédiablement la charge présente dans le four/réacteur.
Axes de développement et intégration
chez Sulzer Metco
La division DLC chez Bekaert sortait un peu des
rangs car fonctionnant en prestataire de services
dans un groupe de fabrication de produits industriels. En outre, l’ensemble de la division ne pesait
qu’un pour cent du chiffre d’affaires total avec ses
160 personnes. L’intérêt de S ULZER METCO avec
ses 11 000 collaborateurs pour le procédé DLC
n’est pas évident de prime abord car ce groupe
possède déjà les technologies PVD, plasma, de
nitruration ionique et contrôle la société METAPLAS
en Allemagne qui revêt des outils de coupe et de
formage. En revanche cette technologie mixte DLC
leur est étrangère et peut apporter des solutions
dans certaines applications qui leur sont propres.
Les implantations sont complémentaires et la
clientèle largement différente. Enfin, si les divers
produits de la gamme sont incontournables dans
leurs niches de marché (moteurs F1, diesels hybrides, pièces d’injections moteurs, moteurs poids
lourds, pièces d’usure, composants bio médicaux,
etc.), il y a encore beaucoup d’applications à mettre au point et à prospecter pour cette division et
l’appui d’un grand groupe ne pourra qu’apporter
un plus bienvenu.
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“revêtements DLC”.