BE825281A - Traitement de surface de l'aluminium et des alliages d'aluminium - Google Patents

Description

  "Traitement de surface de l'aluminium et des alliages

  
d'aluminium"

  
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement des surfaces en aluminium ou en alliage d'a-

  
 <EMI ID=1.1>  

  
et de résistance à l'usure et au grippage, par formation à la surface des pièces de composés inter ou semi-métalliques obtenus par diffusion.

  
A l'heure actuelle, plusieurs procédés sont connus qui permettent de réaliser de telles couches à la surface de n'importe quelle pièce métallique. C'est le cas en particulier du brevet français n[deg.] 1 530 du 6 Mai 1967 et de ses cinq certificats d'addition où sont décrits des procédés de réalisation de couches composites de friction constituées par des revêtement métalliques dont le dépôt est suivi d'un traitement thermique adapté. Deux techniques sont proposées :

  
 <EMI ID=2.1> 
-d'abord dépôt de couches successives de métaux sur les pièces à traiter,
-puis diffusion, dans une atmosphère de préférence neutre ou réductrice, selon un cycle thermique comprenant deux phases distinctes : d'abord chauffage à une température inférieure d'au moins 20[deg.]C au point de fusion du plus fusible des métaux en présence, puis chauffage à une température comprise entre ce point de fusion et 800[deg.]C.

  
2ème technique 
-d'abord dépôt sur la pièce d'une couche d'un alliage de deux ou plusieurs métaux,
-puis cuisson de la pièce ainsi revêtue, éventuellement en une seule étape.

  
Cette deuxième technique autorise, par rapport

  
à la première, une température de diffusion plus basse et un temps de maintien en température plus court.

  
Dans les deux cas, après diffusion, la pièce traitée présente en allant de l'intérieur vers l'extérieur: 

  
 <EMI ID=3.1> 
-le métal de base
-une couche de métal résiduel
-une couche formée de composés métalliques d'une épaisseur supérieure à 10 microns et de dureté supérieure à
500 Vickers,
-une couche résiduelle superficielle d'épaisseur inférieure à 4 microns d'un des métaux en présence.

  
La technique précédente est applicable aux alliages d'aluminium et un exemple est décrit dans le brevet précédemment cité, où la couche de diffusion est faite à partir de cuivre et d'indium, la température de la dernière étape du traitement thermique étant indiquée égale à 200[deg.]C. Dans ce cas, la pièce présente après traitement et en allant de l'intérieur vers l'extérieur :
-l'alliage d'aluminium de base
-une couche résiduelle de cuivre
-une couche de composés entre le cuivre et l'indium
-une couche superficielle résiduelle d'indium

  
Ces techniques de mise en oeuvre de couches diffusées à base de cuivre et d'indium appliquées à l'aluminium et ses alliages présentent toutefois les inconvénients suivants :

  
la température de traitement thermique nécessaire-

  
 <EMI ID=4.1> 

  
trop élevée et entraîne une chute des caractéristiques mécaniques des alliages d'aluminium, principalement de ceux à important durcissement structural tels que par exemple les alliages "Aluminium-Zinc" où les propriétés mécaniques chutent à partir d'une température voisine de 130-135[deg.]C ; de plus la température du traitement thermique étant supérieure au point de fusion de l'indium (155[deg.]C), les couches formées présentent une grande porosité.

  
Il résulte de cette morphologie de couche, lors du frottement, une usure rapide de la zone poreuse et un accrois- <EMI ID=5.1> 

  
peut même se produire, à un certain degré d'usure, un collage épidermique et un grippage.

  
La présence d'une couche de cuivre à faibles caractéristiques mécaniques sous une couche de composés fragiles

  
à hautes caractéristiques mécaniques, entraîne une fragilité globale prononcée de la couche composite qui l'empêche de suivre sans se briser des déformations importantes du substrat.

  
Suivant le procédé connu précité, l'alliage de cuivre et d'indium déposé au départ sur la pièce était obtenu à partir de bains connus, par exemple des bains à base de sulfamates.

  
Cependant ces bains présentent les principaux inconvénients suivants :
- la composition de l'alliage déposé varie d'un point à un autre de la pièce traitée et ceci dans de grandes proportions. Or, lorsque la teneur en cuivre du revêtement mixte est supérieure à 50% en poids, l'alliage au cours de la friction se recouvre de cuivre, ce qui, pratiquement, est incompatible avec les pièces mécaniques courantes qui doivent frotter sur les pièces en alliage d'aluminium traitées, en particulier les aciers.

   Lorsque la teneur en indium dépasse
65 % en poids la dureté des alliages formés décroit très rapidement et les caractéristiques mécaniques de la couche d'alliage deviennent insuffisantes pour éviter le phénomène de fluage superficiel en cours de frottement.
- Ces bains sont chimiquement instables, c'est-à-dire qu'ils évoluent rapidement dans le temps et ne permettent pas d'une pièce à l'autre de déposer un alliage de composition donnée constante.

  
L'objet de la présente invention est un procédé permettant d'obtenir, dans des conditions Industrielles de grande production, un revêtement de surfaces de l'aluminium et de ses alliages possédant de bonnes qualités de friction sans grippage et avec une usure réduite, capable de suivre sans se briser

  
des déformations éventuelles même importantes de son substrat, ne fluant pas en surface et d'une dureté plusieurs fois supérieure à l'alliage d'aluminium non revêtu tandis que les propriétés mécaniques de ce dernier ne sont pas altérées.

  
A cet effet, l'invention propose un procédé de traitement de surfaces d'aluminium ou d'alliages d'aluminium par dépôt d'une couche d'alliage cuivre-indium suivi d'un traitement thermique de diffusion, caractérisé en ce que ledit dépôt est effectué par voie galvanique dans un bain contenant en solution aqueuse alcaline des ions cuivre monovalents, des

  
ions indium trivalents, un hydroxyde alcalin, un cyanure alcalin, un gluconate alcalin, de l'acide gluconique et de l'acide oxalique, lesdits produits intervenant dans des proportions parfaitement définies qui, selon l'originalité de l'invention, doivent être conjointement respectées et en ce que le traitement thermique de diffusion est effectué à une température

  
 <EMI ID=6.1> 

  
 <EMI ID=7.1> 

  
qualités énoncées ci-dessus, la pièce, après avoir subi des traitements de dégraissage et de décapage connus en soi, est recouverte d'un alliage cuivre-indium par voie .galvanique dans un bain selon l'invention, dont les conditions de marche sont réglées dans les limites données ci-après :
- rapport massique indium métal/cuivre métal compris entre 2 et 8,
- teneur en gluconate alcalin supérieure ou égale à 0,5 g par gramme d'indium métal dans le bain, <EMI ID=8.1> 

  
valeurs par ajustement de la teneur en hydroxyde alcalin, - teneur en cyanure alcalin libre comprise entre 1,1 et 1,8 g par gramme de cuivre métal dans le bain,
- température du bain comprise entre 30 et 60[deg.]C,
- densité de courant cathodique comprise entre 3 et 8 A/dm2,
- densité de courant anodique comprise entre 1,5 et 4 A/dm2,
- concentrations en acides gluconique et oxalique comprise entre 1 et 10 mg/litre.

  
Après dép8t de l'épaisseur désirée la pièce après rinçage et séchage subit le traitement thermique de diffusion

  
 <EMI ID=9.1> 

  
durée comprise entre 2 et 6 heures.

  
La Demanderesse a découvert qu'il est possible par

  
ce procédé d'assurer la formation d'une couche de friction

  
qui ne présente pas les inconvénients de celles obtenues par

  
les procédés connus précités, c'est-à-dire qui est non poreuse de composition constante dans toute son épaisseur et en tout point de la surface traitée, capable. de se déformer sans se briser tandis que la température du traitement de diffusion n'altère pas les caractéristiques mécaniques de l'alliage d'aluminium de base et n'entraîne pas de fusion locale.

  
Par ailleurs, la couche de friction réalisée selon l'invention conduit bien la chaleur et l'électricité et possède en outre la propriété inattendue d'offrir une surface de friction à faible coefficient de frottement sans qu'il apparaisse en surface de l'indium non allié, ce qui est le cas avec les procédés antérieurs précités.

  
L'examen micrographique d'une coupe effectuée dans

  
une telle pièce révèle en surface la présence d'une couche, parfaitement homogène et régulière quel que soit l'endroit considéré sur cette pièce, parfaitement adhérente, de dureté comprise entre 300 et 450 Vickers sous 0,15N. Cette couche contient du cuivre et de l'indium à raison de 35 à 50 % en

  
poids de cuivre dans l'indium, elle est faite de composés

  
Cu/In durs mais non fragiles.

  
Les exemples ci-après donnés à titre non limitatif illustrent le procédé selon l'invention.

  
Premier exemple

  
Il s'agit du frottement d'un coussinet en alliage d'aluminium sur un arbre en acier cémenté trempé, l'ambiance baignant le mécanisme étant de l'huile et la température étant celle de l'air ambiant. Les caractéristiques des pièces sont

  
les suivantes : diamètre de l'arbre : 40 mm, jeu entre l'arbre et le coussinet : 0,08 mm, vitesse de glissement : 2 m/s,

  
charge spécifique : 140 bars.

  
Dans ces conditions, un coussinet en alliage d'aluminium type AU4G comprenant 94,5 % d'aluminium, 3,8 % de

  
cuivre, 1,5 % de magnésium ne peut pas frotter plus de 5 secondes, temps au bout duquel il y a un grippage brutal avec transport de l'aluminium sur l'arbre en acier cémenté trempé.

  
Par contre, un coussinet traité selon le procédé

  
décrit dans la présente invention, peut fonctionner pendant plusieurs heures avec un coefficient de frottement de 0,03.

  
Dans cet exemple donné à titre non limitatif le palier en alliage d'aluminium avait subi le traitement selon l'invention de la façon suivante : 
- d'abord la pièce a été dégraissée et décapée,
- puis la pièce a été rincée puis immergée dans un bain galvanique pour recevoir un dépôt mixte de cuivre et  d'indium de 20 microns d'épaisseur ; le bain était composé 

  
comme indiqué précédemment dans la description de l'invention 

  
 <EMI ID=10.1>  <EMI ID=11.1> 

  
 <EMI ID=12.1>   <EMI ID=13.1> 
- teneur en gluconate alcalin, ici du gluconate de potassium, égal à 2,5 g dudit gluconate par gramme d'indium métal dans le bain
- teneur en acide gluconique égale à 2 mg par litre de bain
- teneur en acide oxalique égale à 1,5 mg par litre de bain 
- température du bain 50[deg.]C
- pH du bain égal à 13,3
- densité de courant cathodique 4 A/dm2
- densité de courant anodique 2 A/dm2
- enfin la pièce ainsi revêtue a été lavée, séchée puis maintenue pendant 4 heures à la température de 150[deg.]C en ambiance d'air.

  
A titre de comparaison, un palier en alliage d'aluminium AU4G traité en oxydation anodique épaisse ne peut fonctionner plus de deux minutes, temps au bout duquel il y a transport brutal de l'aluminium sur l'arbre en acier.

  
Deuxième exemple

  
Il s'agit d'un essai de frottement entre deux surfaces planes, réalisé dans les conditions expérimentales suivantes :
curseur plan de longueur 20 mm avec deux portées longitudinales de 4 mm de largeur ; déplacement alternatif sur une piste plane avec une course de 60 mm ; charge : 30 daN ; vitesse de déplacement : 1 cm/s ; temporisation : 1 seconde d'arrêt à chaque fin de course ; ambiance : interposition de graisse

  
au départ puis fonctionnement à l'air ambiant sans apport supplémentaire de lubrifiant.

  
Dans de telles conditions, lorsque le curseur et

  
 <EMI ID=14.1> 

  
 <EMI ID=15.1> 

  
1,1 % de magnésium, il y a blocage du mouvement par collage et grippage au bout de 180 cycles. 

  
Par contre, lorsque la curseur et la piste sont traités comme dans l'exemple précédent, par le procédé décrit dans la présente invention, l'essai est arrêté volontairement au bout de 5 000 cycles, le coefficient de frottement moyen étant alors de 0,10.

  
A titre de comparaison lorsqu'on effectue une oxyda-

  
 <EMI ID=16.1> 

  
mouvement avec émission de nombreuses particules au bout de
320 cycles. 

  
 <EMI ID=17.1> 

  
1) Procédé de traitement de surface d'aluminium ou d'alliages d'aluminium par dépôt d'une couche d'alliage cuivreindium, suivi d'un traitement thermique de diffusion, caractérisé en ce que ledit dépôt est effectué par voie galvanique dans un bain contenant en solution aqueuse alcaline des ions cuivre monovalents,-des ions indium trivalents, un hydroxyde alcalin, un cyanure alcalin, un gluconate alcalin, de l'acide gluconique et de l'acide oxalique, et en ce que ledit traitement de diffu-

  
 <EMI ID=18.1> 

  
155[deg.]C.

Claims (1)

1. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport massique indium métal/cuivre métal dans le bain est compris entre 2 et 8.

   3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en gluconate alcalin du bain est supérieure ou égale à 0,5 g dudit gluconate par gramme d'indium métal dans le bain.

   4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pH du bain est compris entre 12,5 et 14 ledit pH étant maintenu entre ces deux valeurs en ajustant la teneur en hydroxyde alcalin du bain.

   5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en cyanure libre du bain est comprise entre 1,1 et 1,8 g dudit cyanure alcalin par gramme de cuivre métal dans le bain.

   6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du bain est comprise entre 30 et 60[deg.]C.

   7) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de courant cathodique est comprise entre 3 et 8 A/dm2. 8) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de courant anodique est comprise entre 1,5 et 4 A/dm2.

   9) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les teneurs en acides gluconique et oxalique sont comprises entre 1 et 10 milligrammes par litre.

   10) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de diffusion s'effectue en ambiance d'air pendant une durée comprise entre 2 et 6 heures

   11) Pièces traitées par un procédé selon une quelconque des revendications précédentes.