EP2130944A1 - Procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance, et système d'étanchéité obtenu par la mise en oeuvre dudit procédé - Google Patents

Procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance, et système d'étanchéité obtenu par la mise en oeuvre dudit procédé Download PDF

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EP2130944A1
EP2130944A1 EP09290361A EP09290361A EP2130944A1 EP 2130944 A1 EP2130944 A1 EP 2130944A1 EP 09290361 A EP09290361 A EP 09290361A EP 09290361 A EP09290361 A EP 09290361A EP 2130944 A1 EP2130944 A1 EP 2130944A1
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EP
European Patent Office
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roughness
component
predetermined threshold
surface roughness
subjecting
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EP09290361A
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German (de)
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EP2130944B1 (fr
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Aude Garin
Alain Viola
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Safran Landing Systems SAS
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Messier Bugatti SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the present invention relates to a method of surface treatment of high strength steel mechanical parts, aiming at imparting to said parts friction and lubrication properties necessary for their use, as well as a sealing system obtained by the implementation said method.
  • Electrolytic chromium plating provides a hard chromium coating, which is still very widely used in various fields such as the aeronautical field, because of its excellent properties in friction, wear resistance, and as a protection against corrosion.
  • the electrolytic plating is generally completed by a grinding guaranteeing a homogeneous coating thickness and a surface condition corresponding to a surface roughness (Ra) of less than 0.2 ⁇ m.
  • the object of the invention is to design a surface treatment method capable of replacing electrolytic chromium plating, and making it possible to obtain both a high friction resistance level and also a very good wettability in the face of hydraulic fluids, while maintaining a level of surface roughness (Ra) that is less than or equal to 0.2 ⁇ m.
  • the invention also aims to design a treatment process to avoid the aforementioned drawbacks of electrolytic processes, while being easy to adapt to the types of mechanical parts involved.
  • the invention also aims to design a hydraulic sealing system including a sliding part surface-treated by the aforementioned method.
  • the above-mentioned treatment method which implements a step of spraying tungsten disulfide powder
  • a spraying of tungsten disulfide powder and specially developed for the coating cutting tools harder than the piece to cut.
  • it may be referred to the documents WO-2004/031433 and WO-2004/092429 .
  • these documents use a treatment method that does not provide for any prior degreasing step, and the tungsten disulfide powder sputtering step uses a powder consisting of spherical particles, which are embedded in hollow counterparts previously performed by sandblasting operation implemented with particles of the same size as the powder particles.
  • a tungsten disulfide powder is used in the form of platelets which, when they are projected at high speed against the surface (which is prepared accordingly while being free of spherical bowls) of the piece to be treated, break into microparticles of powder, in order to create on the surface a dense and self-lubricating deposit.
  • the projection of very thin platelets realizes a real explosion of microparticle plates densifying the coating made, so that such a process has nothing to do with the previous processes of incrustation of spherical powder particles which are received in hollows previously made for this purpose.
  • the tribofinishing step c) comprises a first step c1) deburring by continuously stirring the parts to be treated with a first oxidizing aqueous solution containing abrasive agents until the desired surface roughness (Ra) is obtained. followed by a second polishing step c2) by continuously stirring said parts with a second non-oxidizing aqueous solution containing abrasive agents.
  • the tribofinishing step c) comprises a third step c3) of surface cleaning, followed by control of the surface roughness (Ra).
  • the first predetermined roughness threshold is substantially equal to 0.2 ⁇ m, and that the second threshold predetermined roughness is substantially equal to 0.1 microns.
  • the powder sprayed during step d) is almost exclusively composed of pure WS 2 , and is in the form of platelets of substantially hexagonal shape, the main dimension of which is between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m. ⁇ m, and whose thickness is of the order of 0.1 microns.
  • the method comprises, after step c) of tribofinishing, a complementary step c ') micro-sandblasting, organized to activate the surface of the piece in order to increase the adherence of the coating deposited subsequently in the step d) powder projection of WS 2 .
  • step c ') of micro-sandblasting is followed by a step c' ') of surface cleaning, then control of the surface roughness (Ra).
  • the micro-sanding step c ') is organized in such a way that the surface roughness (Ra), which is increased because of the micro-sanding, remains below the first predetermined roughness threshold.
  • the micro-sanding step c ') is carried out with particles which are not oxides and whose size is between 5 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the method comprises, after step d) of spraying WS 2 powder, a step d) of) surface cleaning, then control of both the surface roughness (Ra), the wettability , and the coefficient of friction.
  • the invention also relates to a hydraulic sealing system, comprising a sliding rod in a sealing assembly, wherein the sealing assembly is constituted by a guide bearing formed of a first material, and by a seal. sealant formed by a second material of lesser hardness than the first material, and wherein the sliding rod has an outer surface which has been treated using a method having at least one of the above-mentioned features, so that said rod has properties required in lubrication vis-à-vis the guide bearing and friction vis-à-vis the seal.
  • the first constituent material of the guide bearing is a thermoplastic polymer
  • the second material constituting the seal is a rubber
  • the mechanical part concerned, noted P will for example be a stainless steel friction rod of the type used to equip brake pistons of vehicles.
  • the invention is in no way limited to a particular type of mechanical part.
  • the starting metal part is a mechanical part made of steel, preferably a stainless steel, which is of high strength, that is to say whose hardness is at least 30 HRC.
  • This part will generally have already undergone a heat treatment adapted to achieve a hardness typically of the order of 34 to 39 HRC, or will have been treated by a low-temperature cementation type thermochemical treatment or nitriding at low temperature allowing it to maintain its stainless properties.
  • step a) the piece P is subjected to a primary finishing step which is organized to lower its surface roughness Ra to a value less than or equal to a first predetermined threshold S1, which is, for example, 0.2 ⁇ m .
  • the piece P is thus complete machining and treatment (thermochemical type or passivation), and is in its form and final dimensions.
  • This primary finishing treatment of conventional type, can comprise stages of turning, grinding, etc ..., which must therefore make it possible to achieve a roughness Ra, for example less than 0.2 ⁇ m, once the part is finished and ready for use. next treatment.
  • the parameter Ra used here to characterize the surface roughness is a parameter representative of the geometrical irregularities of a surface, which corresponds to the average arithmetic deviation with respect to the average roughness line.
  • the piece P is subjected to a surface cleaning by means of a degreasing solution.
  • a degreasing solution used will preferably be of the alkaline type at a temperature of between 35 ° C and 60 ° C.
  • the duration of the degreasing step will typically be, for example, 5 minutes.
  • the level of soiling is very important, and in order to reduce the degreasing treatment time, it will be possible to perform a pre-degreasing of the metal parts.
  • the piece P thus cleaned is subjected to a tribofinition step organized to first lower its surface roughness Ra to a value less than or equal to a second predetermined threshold S2 which is lower than the first predetermined threshold S1, and secondly increase its wettability to hydraulic fluids.
  • the hydraulic fluids concerned are in particular fluids based on hydrocarbons or ester-phosphates, or oily fluids.
  • Such a tribofinishing operation is essential to prepare and optimize the surface state of the metal part before the tungsten disulfide powder spraying treatment.
  • the tribofinishing step c) advantageously comprises a first deburring step c1), a second polishing step c2), and a third surface cleaning step c3), followed by a surface roughness check.
  • the debinding step c1) consists in a continuous stirring, generally in a vibratory bowl, of the pieces P to be treated with a first oxidizing aqueous solution containing abrasive agents until the desired surface roughness Ra is obtained.
  • a first oxidizing aqueous solution containing abrasive agents until the desired surface roughness Ra is obtained.
  • an oxide film is created on the surface of the parts, with a hardness lower than that of the base metal.
  • This film is removed gradually by the mechanical action of the abrasive agents which are of hardness greater than that of the film, but lower than that of the base metal, which abrasive agents come to clash on the surface of the pieces, and thus reduce the roughness of said surface.
  • this first step c1) deburring will be carried out for a period of at least 60 minutes.
  • the second polishing step c2) preferably consists in a continuous stirring of the pieces with a second non-oxidizing aqueous solution containing abrasive agents.
  • This second polishing step makes it possible to completely remove the oxide film created during the first step c1) by the mechanical action of the abrasive agents.
  • the treatment time for this second polishing step c2) will be at least 120 minutes.
  • the surface roughness Ra is lowered to a value less than or equal to a second predetermined threshold S2, which is less than the first predetermined threshold S1, and which will be, for example order of 0.1 ⁇ m.
  • a surface cleaning step c3) will be provided, followed by control of the surface roughness Ra, which control is very reliable thanks to the cleaning carried out beforehand.
  • the cleaning concerned in this case aims to guarantee the representativeness of the result of the surface roughness control measure.
  • the surface of the part then has less dirt than at the end of the finishing step a) primary, so that one can use a solvent slightly aggressive acetone type.
  • step c) of tribofinishing it is possible either to directly submit the piece P to the essential next step denoted d), which is a step of projection, at high speed and at ambient temperature, of disulfide powder.
  • step d tungsten in the form of platelets, or alternatively, first implement, prior to step d), a micro-sanding complementary step, optionally followed by a surface cleaning and a control of roughness on the surface.
  • step c ' which is a micro-sandblasting step, organized to activate the surface of the piece P in order to increase the adhesion of the subsequently deposited coating during the period of time.
  • step d this complementary step c ') being followed by a surface cleaning step c'') and then controlling the surface roughness Ra.
  • nozzles 10 symbolizing the micro-sanding, with a projection of particles on the part P, these particles, which are not oxides, generally having a size between 5 microns and 15 microns, and preferably of the order of 10 microns.
  • the projection of particles during step c ') is carried out at high speed, obtained by a pressure of the order of 5 to 10 bars, and with an inclination of the spray jets substantially between 45 ° and 135 °.
  • micro-sandblasting step c ' will be organized in such a way that the surface roughness Ra is still lower than the first predetermined threshold of roughness S1, for example 0.2 ⁇ m.
  • step c '' the surface roughness Ra is symbolized by a simple arrow directed on the part P.
  • step c3 a surface cleaning, for example by means of a slightly aggressive solvent of the acetone type is carried out before the control of the surface roughness, which guarantees a better representativeness of the result of the control measurement.
  • micro-sandblasting step The choice of whether or not to use the micro-sandblasting step will depend on the friction properties that are desired on the metal parts, in addition to the aforementioned wettability properties. As such, in the case of micro-sanding, it will be necessary to implement fairly quickly step d) powder projection of WS 2 , for example within a period not exceeding 120 minutes.
  • step c) of tribofinishing and possibly steps c ') micro-sanding and c' ') cleaning and control, the piece P is now optimally prepared to undergo the projection treatment of tungsten disulfide powder.
  • the roughness related to the finishing operations has in fact been greatly reduced by the operation of tribofinishing, and the eventual micro-sandblasting has further activated the surface to increase the adhesion of the coating that will be formed.
  • step d) the piece P is subjected to a projection, at high speed and at ambient temperature, of tungsten disulfide powder (WS 2 ).
  • the WS 2 powder used in the context of The method of the invention is in the form of platelets p, as illustrated in FIGS. Figures 2 and 3 , which provides a technical effect radically different from that which was obtained with the prior art also implementing a projection of WS 2 powder, and of projecting spherical particles of powder which are embedded in a cutting piece previously prepared for have associated receiving valleys.
  • the teaching of providing receiving cavities for the spherical particles implies de facto a limitation for the reduction of surface roughness that can be obtained, since a too low value of the roughness would eliminate the reception hollows, and prevent the encrustation of spherical particles of WS 2 powder. In this case, it is quite different because of the use of a powder consisting of platelets, that is to say, very thin platelets which disintegrate in microparticles in contact with the surface of the piece to be treated .
  • platelets p of substantially hexagonal shape as illustrated in FIG. figure 3 , whose main dimension denoted D is between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m, and whose thickness denoted E is of the order of 0.1 ⁇ m.
  • D main dimension
  • E thickness
  • platelets p when projected by associated nozzles, noted 20 on the figure 1 , break in microparticles in contact with the surface, creating on the surface of said part a dense and self-lubricating deposit.
  • the method comprises, after step d) of spraying WS 2 powder, a step d) of) surface cleaning, and then control.
  • the surface cleaning can be performed using a mild solvent acetone type, which ensures a better representativeness of the results of the control measures.
  • Such a final step is very interesting before the use of the treated parts, and it allows in particular to perform a triple control, illustrated here by three arrows in the figure, relating both the surface roughness, the wettability to hydraulic fluids, in particular hydrocarbon-based fluids or ester-phosphates, or oily fluids, and the coefficient of friction ( static and / or dynamic).
  • the wettability obtained is also extremely discriminating, insofar as it is very good for hydraulic fluids, in particular fluids based on hydrocarbons or ester-phosphates, or oily fluids, while being very bad with regard to aqueous fluids.
  • the figure 4 allows to appreciate the improved performance in terms of wettability for the WS 2 coating produced in accordance with the invention.
  • curves C1, C2 and C3 represented on the diagram of the figure 4 correspond to the variations of the liquid / solid contact angle (in degrees) as a function of time (in seconds).
  • Curve C1 corresponds to a traditional type of treatment process, while curves C2 and C3 correspond to a treatment according to the invention, respectively without and with final cleaning.
  • FIG. 5 there is thus distinguished a hydraulic sealing system rated 100 having a high-strength stainless steel X axis rod 101 which slides in a sealing assembly 102.
  • the sealing assembly 102 is received in a housing 106 formed in a support member 105, being disposed between two shoulders 107, 108.
  • the sealing assembly 102 is constituted by a guide bearing 103 formed of a first material and by a seal 104 formed of a second material of lower hardness than that of the first material.
  • the first constituent material of the guide bearing 103 is a thermoplastic polymer
  • the second material constituting the seal 104 is a rubber.
  • the outer surface 110 of the rod 101 has been treated by implementing a method as described above, so that said rod has properties required both in lubrication vis-à-vis the guide bearing 103, it is to say at the level the interface between the outer surface 110 of the rod 101 and the inner surface 103.1 of the guide bearing 103, and in friction with respect to the seal 104, that is to say at the level of the interface between the outer surface 110 of the rod 101 and the inner surface 104.1 of the seal 104, to avoid abrasion.
  • the dual function of the WS 2 coating on the sliding rod 101 allows optimum cooperation with each of the two components 103, 104 constituting the sealing assembly 102.
  • Such a hydraulic sealing system is particularly advantageous for fitting brake pistons of vehicles.
  • a friction rod intended to be arranged in a piston of a hydraulic crown of an aircraft brake.
  • the role of such a friction rod is to guide the piston during the application of the braking force on the brake disc or discs, the rod being equipped with a sealing assembly consisting of a bearing of polytetrafluoroethylene guidance and an ethylene propylene elastomer seal.
  • a sealing assembly consisting of a bearing of polytetrafluoroethylene guidance and an ethylene propylene elastomer seal.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance, visant à conférer à ladite pièce des propriétés en frottement et en lubrification nécessaires à son utilisation. Conformément à l'invention, le procédé comporte les étapes successives suivantes: a) on soumet la pièce (P) à une étape de finition primaire organisée pour abaisser sa rugosité en surface (Ra) à un premier seuil prédéterminé (S1) ; b) on soumet ensuite la pièce (P) à un nettoyage de surface au moyen d'une solution de dégraissage ; c) on soumet la pièce (P) ainsi nettoyée à une étape de tribofinition organisée pour d'une part abaisser encore sa rugosité en surface (Ra) à un deuxième seuil prédéterminé (S2) qui est inférieur au premier seuil prédéterminé (S1), et d'autre part augmenter sa mouillabilité aux fluides hydrauliques ; et d) on soumet la pièce (P) à une projection, à haute vitesse et à température ambiante, de poudre de bisulfure de tungstène (WS 2 ) se présentant sous la forme de platelets (p) qui se brisent ainsi en créant en surface de ladite pièce un dépôt dense et autolubrifiant.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de traitement de surface de pièces mécaniques en acier à haute résistance, visant à conférer auxdites pièces des propriétés en frottement et en lubrification nécessaires à leur utilisation, ainsi qu'un système d'étanchéité obtenu par la mise en oeuvre dudit procédé.
    • ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
  • Il est connu de prévoir un traitement de surface pour procurer à des pièces métalliques des propriétés en frottement et en lubrification qui sont nécessaires à leur utilisation, le traitement étant habituellement un chromage électrolytique. Le chromage électrolytique permet d'obtenir un revêtement de chrome dur, qui est encore très largement utilisé dans différents domaines comme le domaine aéronautique, du fait de ses excellentes propriétés en frottement, en résistance à l'usure, et en tant que protection contre la corrosion. Le chromage électrolytique est en général complété par une rectification garantissant une épaisseur de revêtement homogène et un état de surface correspondant à une rugosité en surface (Ra) qui est inférieure à 0,2 µm. Ce succès s'explique par le fait que les caractéristiques obtenues après ces étapes de traitement sont d'une part une excellente résistance en frottement du fait d'une bonne résistance à l'usure couplée à un état de surface parfait, et d'autre part une excellente lubrification en présence de fluides grâce au micro-faïencage, inhérent au chrome dur, jouant le rôle de zone de rétention.
  • Cependant, le chromage dur est réalisé dans une cellule électrolytique en présence d'acide chromique à base de chrome hexavalent (Cr6+) qui est nuisible pour l'environnement et pour l'homme. Il s'agit en effet d'un produit qui est classifié CMR (Cancérigène, Mutagène, et nuisible pour la Reproduction). De plus, comme de nombreux procédés électrolytiques, ce produit est fragilisant pour les aciers du fait de la diffusion de l'hydrogène, et nécessite des précautions opératoires afin d'éviter les brûlures de l'acier de base après rectification, brûlures qui induiraient une altération irréversible de la pièce métallique traitée.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • L'invention a pour objet de concevoir un procédé de traitement de surface capable de remplacer le chromage électrolytique, et permettant d'obtenir à la fois un niveau de résistance en frottement élevé et aussi une très bonne mouillabilité face aux fluides hydrauliques, tout en conservant un niveau de rugosité en surface (Ra) qui est inférieur ou égal à 0,2 µm.
  • L'invention a aussi pour objet de concevoir un procédé de traitement permettant d'éviter les inconvénients précités des procédés électrolytiques, tout en étant facile à adapter aux types de pièces mécaniques concernés.
  • L'invention a également pour objet de concevoir un système d'étanchéité hydraulique incluant une pièce coulissante traitée en surface par le procédé précité.
    • DEFINITION GENERALE DE L'INVENTION
  • Le problème technique précité est résolu conformément à l'invention grâce à un procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance, visant à conférer à ladite pièce des propriétés en frottement et en lubrification nécessaires à son utilisation, lequel procédé comporte les étapes successives suivante :
    1. a) on soumet la pièce à une étape de finition primaire organisée pour abaisser sa rugosité en surface (Ra) à une valeur inférieure ou égale à un premier seuil prédéterminé;
    2. b) on soumet ensuite la pièce à un nettoyage de surface au moyen d'une solution de dégraissage ;
    3. c) on soumet la pièce ainsi nettoyée à une étape de tribofinition organisée pour d'une part abaisser encore sa rugosité en surface (Ra) à une valeur inférieure ou égale à un deuxième seuil prédéterminé qui est inférieur au premier seuil prédéterminé, et d'autre part augmenter sa mouillabilité aux fluides hydrauliques ; et
    4. d) on soumet la pièce à une projection, à haute vitesse et à température ambiante, de poudre de bisulfure de tungstène (WS2) se présentant sous la forme de platelets qui se brisent ainsi en créant en surface de ladite pièce un dépôt dense et autolubrifiant.
  • Il convient de noter que le procédé de traitement précité, qui met en oeuvre une étape de projection de poudre de bisulfure de tungstène, se démarque radicalement des procédés antérieurs mettant également en oeuvre une projection de poudre de bisulfure de tungstène et spécialement développés pour le revêtement d'outils coupants plus durs que la pièce à couper. On pourra à ce titre se référer aux documents WO-A-2004/031433 et WO-A-2004/092429 . On notera en particulier que ces documents mettent en oeuvre un procédé de traitement ne prévoyant aucune étape préalable de dégraissage, et dont l'étape de projection de poudre de bisulfure de tungstène utilise une poudre constituée de particules sphériques, qui viennent s'incruster dans des creux homologues préalablement réalisés par une opération de sablage mise en oeuvre avec des particules de même dimension que les particules de poudre.
  • Au contraire, dans le cadre de l'invention, on utilise une poudre de bisulfure de tungstène se présentant sous la forme de platelets qui, lorsqu'ils sont projetés à haute vitesse contre la surface (qui est préparée en conséquence tout en étant exempte de cuvettes sphériques) de la pièce à traiter, se brisent en microparticules de poudre, afin de créer en surface un dépôt dense et autolubrifiant. Ainsi, la projection de platelets de très faible épaisseur réalise une véritable explosion des platelets en microparticules densifiant le revêtement réalisé, de sorte qu'un tel processus n'a rien à voir avec les processus antérieurs d'incrustation de particules de poudre de forme sphérique qui sont reçues dans des creux préalablement réalisés à cet effet.
  • Avantageusement, l'étape c) de tribofinition comporte une première étape c1) d'ébavurage par mise en agitation continue des pièces à traiter avec une première solution aqueuse oxydante contenant des agents abrasifs jusqu'à obtention de la rugosité en surface (Ra) souhaitée, suivie d'une deuxième étape c2) de polissage par mise en agitation continue desdites pièces avec une deuxième solution aqueuse non oxydante contenant des agents abrasifs. En particulier, l'étape c) de tribofinition comporte une troisième étape c3) de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface (Ra).
  • Dans un mode d'exécution avantageux, il sera prévu que le premier seuil prédéterminé de rugosité est sensiblement égal à 0,2 µm, et que le deuxième seuil prédéterminé de rugosité est sensiblement égal à 0,1 µm.
  • Avantageusement encore, la poudre projetée lors de l'étape d) est presque exclusivement constituée de WS2 pur, et se présentant sous la forme de platelets de forme sensiblement hexagonale, dont la dimension principale est comprise entre 0,8 µm et 1,5 µm, et dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,1 µm.
  • Il pourra s'avérer en outre intéressant de prévoir que le procédé comporte, après l'étape c) de tribofinition, une étape complémentaire c') de micro-sablage, organisée pour activer la surface de la pièce en vue d'augmenter l'adhérence du revêtement déposé ensuite lors de l'étape d) de projection de poudre de WS2.
  • Avantageusement alors, l'étape c') de micro-sablage est suivie d'une étape c'') de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface (Ra).
  • De préférence encore, l'étape c') de micro-sablage est organisée de telle façon que la rugosité en surface (Ra), qui est accrue du fait du micro-sablage, reste inférieure au premier seuil prédéterminé de rugosité.
  • Avantageusement alors, l'étape c') de micro-sablage est mise en oeuvre avec des particules qui ne sont pas des oxydes, et dont la taille est comprise entre 5 µm et 15 µm.
  • De préférence enfin, le procédé comporte, après l'étape d) de projection de poudre de WS2, une étape d') de nettoyage de surface, puis de contrôle à la fois de la rugosité en surface (Ra), de la mouillabilité, et du coefficient de frottement.
  • L'invention concerne également un système d'étanchéité hydraulique, comportant une tige coulissant dans un ensemble d'étanchéité, système dans lequel l'ensemble d'étanchéité est constitué par un palier de guidage formé d'un premier matériau, et par un joint d'étanchéité formé par un deuxième matériau de dureté inférieure à celle du premier matériau, et dans lequel la tige coulissante a une surface extérieure qui a été traitée en mettant en oeuvre un procédé présentant l'une au moins des caractéristiques précitées, de sorte que ladite tige présente des propriétés requises en lubrification vis-à-vis du palier de guidage et en frottement vis-à-vis du joint d'étanchéité.
  • En particulier, le premier matériau constitutif du palier de guidage est un polymère thermoplastique, et le deuxième matériau constitutif du joint d'étanchéité est un caoutchouc.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier.
    • BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • Il sera fait référence aux figures des dessins annexés, où :
    • la figure 1 illustre schématiquement les différentes étapes d'un procédé de traitement conforme à l'invention, avec ici des étapes intermédiaires optionnelles de micro-sablage et une étape finale optionnelle de nettoyage ;
    • la figure 2 est un cliché réalisé par microscopie électronique illustrant un petit volume de la poudre de bisulfure de tungstène qui est utilisée pour la projection, à haute vitesse et à température ambiante, prévue dans le procédé de l'invention, laquelle poudre est constituée de platelets ;
    • la figure 3 illustre schématiquement un platelet individuel de forme hexagonale constituant la poudre de bisulfure de tungstène concernée ;
    • la figure 4 illustre l'amélioration des performances en matière de mouillabilité grâce à un diagramme comparatif donnant diverses courbes de variations de l'angle de contact liquide/solide en fonction du temps ; et
    • la figure 5 est une vue en coupe axiale illustrant un système d'étanchéité hydraulique conforme à l'invention, obtenu en mettant en oeuvre le procédé de traitement précité.
    DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERE
  • On va maintenant décrire plus en détail les étapes successives du procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance conforme à l'invention, ledit procédé visant à conférer à ladite pièce des propriétés en frottement et en lubrification nécessaires à son utilisation.
  • La pièce mécanique concernée, notée P, sera par exemple une tige de friction en acier inoxydable du type de celles qui sont utilisées pour équiper des pistons de freins de véhicules. Bien entendu, l'invention n'est aucunement limitée à un type particulier de pièce mécanique.
  • Sur la figure 1, on distingue une première étape du procédé de traitement selon l'invention, schématisée en a). La pièce métallique de départ est une pièce mécanique en acier, de préférence en un acier inoxydable, qui est à haute résistance, c'est-à-dire dont la dureté est au moins égale à 30 HRC. Cette pièce aura en général déjà subi un traitement thermique adapté lui permettant d'atteindre une dureté typiquement de l'ordre 34 à 39 HRC, ou aura été traitée par un traitement thermochimique de type cémentation à basse température ou nitruration à basse température lui permettant de conserver ses propriétés d'inoxydabilité.
  • Lors de l'étape a), on soumet la pièce P à une étape de finition primaire qui est organisée pour abaisser sa rugosité en surface Ra à une valeur inférieure ou égale à un premier seuil prédéterminé S1, qui est par exemple 0,2 µm. La pièce P est donc terminée d'usinage et de traitement (de type thermochimique ou passivation), et se présente sous sa forme et ses dimensions finales. Ce traitement de finition primaire, de type classique, peut comporter des étapes de tournage, rectification, etc..., qui doivent donc permettre d'atteindre une rugosité Ra par exemple inférieure à 0,2 µm une fois la pièce terminée et prête au traitement suivant. Il est rappelé que le paramètre Ra utilisé ici pour caractériser la rugosité en surface, est un paramètre représentatif des irrégularités géométriques d'une surface, qui correspond à l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne de rugosité.
  • Lors de l'étape suivante b), on soumet la pièce P à un nettoyage de surface au moyen d'une solution de dégraissage. Cette opération est importante, car elle permet de débarrasser entièrement la surface de la pièce P de toutes les traces de salissures possibles (graisses, huiles, copeaux, poussières, résidus plastiques, feutres, produits de protection temporaire). La solution de dégraissage utilisée sera de préférence de type alcaline à une température comprise entre 35°C et 60°C. La durée de l'étape de dégraissage sera par exemple typiquement de 5 minutes. Bien entendu, dans le cas où le niveau de salissure serait très important, et dans le but de diminuer le temps de traitement de dégraissage, il sera possible de réaliser un pré-dégraissage des pièces métalliques.
  • Lors de l'étape suivante, notée c), on soumet la pièce P ainsi nettoyée à une étape de tribofinition organisée pour d'une part abaisser encore sa rugosité en surface Ra à une valeur inférieure ou égale à un deuxième seuil prédéterminé S2 qui est inférieur au premier seuil prédéterminé S1, et d'autre part augmenter sa mouillabilité aux fluides hydrauliques. Les fluides hydrauliques concernés sont en particulier des fluides à base d'hydrocarbures ou d'ester-phosphates, ou des fluides huileux.
  • Une telle opération de tribofinition est indispensable pour préparer et optimiser l'état de surface de la pièce métallique avant le traitement de projection de poudre de bisulfure de tungstène.
  • Comme cela est schématisé sur la figure 1, l'étape c) de tribofinition comporte avantageusement une première étape c1) d'ébavurage, une deuxième étape c2) de polissage, et une troisième étape c3) de nettoyage de surface, suivi d'un contrôle de la rugosité en surface.
  • L'étape c1) d'ébavurage consiste en une mise en agitation continue, en général dans un bol vibrant, des pièces P à traiter avec une première solution aqueuse oxydante contenant des agents abrasifs jusqu'à obtention de la rugosité en surface Ra souhaitée. Au cours de cette étape, il se crée un film d'oxyde en surface des pièces, de dureté inférieure à celle du métal de base. Ce film est retiré au fur et mesure par l'action mécanique des agents abrasifs qui sont de dureté supérieure à celle du film, mais inférieure à celle du métal de base, lesquels agents abrasifs viennent s'entrechoquer en surface des pièces, et ainsi diminuer la rugosité de ladite surface. A titre indicatif, cette première étape c1) d'ébavurage sera mise en oeuvre pendant une durée au moins égale à 60 minutes.
  • La deuxième étape c2) de polissage consiste de préférence en une mise en agitation continue des pièces avec une deuxième solution aqueuse non oxydante contenant des agents abrasifs. Cette deuxième étape de polissage permet de retirer en totalité le film d'oxyde créé lors de la première étape c1), par l'action mécanique des agents abrasifs. A titre indicatif, la durée de traitement pour cette deuxième étape c2) de polissage sera au minimum de 120 minutes.
  • A l'issue de ces deux étapes c1) et c2), la rugosité en surface Ra est abaissée à une valeur inférieure ou égale à un deuxième seuil prédéterminé S2, qui est inférieur au premier seuil prédéterminé S1, et qui sera par exemple de l'ordre de 0,1 µm. On prévoira alors avantageusement une étape c3) de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface Ra, lequel contrôle est très fiable grâce au nettoyage préalablement effectué. Le nettoyage concerné en l'espèce vise à garantir la représentativité du résultat de la mesure de contrôle de la rugosité en surface. La surface de la pièce présente alors moins de souillures qu'à l'issue de l'étape a) de finition primaire, de sorte que l'on pourra utiliser un solvant peu agressif de type acétone.
  • A l'issue de cette étape c) de tribofinition, on peut, soit directement soumettre la pièce P à l'étape suivante essentielle notée d), qui est une étape de projection, à haute vitesse et à température ambiante, de poudre de bisulfure de tungstène se présentant sous forme de platelets, soit en variante, mettre d'abord en oeuvre, préalablement à l'étape d), une étape complémentaire de micro-sablage, éventuellement suivie d'un nettoyage de surface et d'un contrôle de la rugosité en surface. Ces étapes complémentaires ont été illustrées ici sous la forme d'une étape c') qui est une étape de micro-sablage, organisée pour activer la surface de la pièce P en vue d'augmenter l'adhérence du revêtement déposé ultérieurement lors de l'étape d) de projection de poudre de WS2, cette étape complémentaire c') étant suivie d'une étape c'') de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface Ra. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement des buses 10 symbolisant le micro-sablage, avec une projection de particules sur la pièce P, ces particules, qui ne sont pas des oxydes, ayant d'une façon générale une taille comprise entre 5 µm et 15 µm, et de préférence de l'ordre de 10 µm. La projection de particules lors de l'étape c') est effectuée à vitesse élevée, obtenue par une pression de l'ordre de 5 à 10 bars, et avec une inclinaison des jets de projection sensiblement comprise entre 45 ° et 135 °.
  • Bien entendu, une telle étape de micro-sablage a pour effet d'accroître légèrement la rugosité en surface Ra. On organisera néanmoins l'étape c') de micro-sablage de telle façon que la rugosité en surface Ra reste encore inférieure au premier seuil prédéterminé de rugosité S1, par exemple 0,2 µm.
  • Sur la figure 1, on a symbolisé pour l'étape c'') le contrôle de la rugosité en surface Ra par une simple flèche dirigée sur la pièce P. Comme pour l'étape c3) précédemment décrite, un nettoyage de surface, par exemple au moyen d'un solvant peu agressif de type acétone, est effectué avant le contrôle de la rugosité en surface, ce qui garantit une meilleure représentativité du résultat de la mesure de contrôle.
  • Le choix de mettre en oeuvre ou non l'étape de micro-sablage dépendra des propriétés en frottement que l'on souhaite obtenir sur les pièces métalliques, en plus des propriétés de mouillabilité précitée. A ce titre, en cas de micro-sablage, il conviendra de mettre en oeuvre assez rapidement l'étape d) de projection de poudre de WS2, par exemple dans un délai n'excédant pas 120 minutes.
  • A l'issue de l'étape c) de tribofinition, et éventuellement des étapes c') de micro-sablage et c'') de nettoyage et de contrôle, la pièce P est maintenant préparée de façon optimale pour subir le traitement de projection de poudre de bisulfure de tungstène. La rugosité liée aux opérations de finition a été en effet très fortement diminuée par l'opération de tribofinition, et l'éventuel micro-sablage a en outre activé la surface pour augmenter l'adhérence du revêtement qui va être formé.
  • Lors de l'étape d), on soumet donc la pièce P à une projection, à haute vitesse et à température ambiante, de poudre de bisulfure de tungstène (WS2).
  • Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, la poudre de WS2 utilisée dans le cadre du procédé de l'invention se présente sous la forme de platelets p, comme illustré aux figures 2 et 3, ce qui procure un effet technique radicalement différent de celui qui était obtenu avec les techniques antérieures mettant également en oeuvre une projection de poudre de WS2, et consistant à projeter des particules sphériques de poudre qui sont incrustées dans une pièce de coupe préalablement préparée pour présenter des creux de réception associés. D'ailleurs, l'enseignement consistant à prévoir des creux de réception pour les particules sphériques implique de facto une limitation pour l'abaissement de rugosité en surface que l'on peut obtenir, dans la mesure où une valeur trop basse de la rugosité supprimerait les creux de réception, et empêcherait l'incrustation des particules sphériques de poudre de WS2. En l'espèce, il en va tout autrement du fait de l'utilisation d'une poudre constituée de platelets, c'est-à-dire de plaquettes très minces qui se désintègrent en microparticules au contact de la surface de la pièce à traiter.
  • De préférence, on utilisera des platelets p de forme sensiblement hexagonale, comme illustré sur la figure 3, dont la dimension principale notée D est comprise 0,8 µm et 1,5 µm, et dont l'épaisseur notée E est de l'ordre de 0,1 µm. Ces platelets p, lorsqu'ils sont projetés par des buses associées, notées 20 sur la figure 1, se brisent en microparticules au contact de la surface, créant ainsi en surface de ladite pièce un dépôt dense et autolubrifiant.
  • A titre indicatif, pour les conditions opératoires de la projection de poudre de WS2 sous la forme de platelets, à froid et à haute vitesse, on pourra utiliser une pression de l'ordre de 5 à 10 bars, avec un angle d'inclinaison des jets de projection allant de 45° à 135° par rapport au plan de la surface à traiter, la distance entre les sorties de buse de projection et la pièce P allant typiquement de 20 à 100 mm. Ces conditions opératoires permettent de projeter à haute vitesse des platelets de poudre de WS2, afin que ceux-ci se brisent en microparticules en s'écrasant sur la surface de la pièce à traiter.
  • Les essais menés par la demanderesse ont permis de constater que l'on peut alors aisément obtenir un revêtement d'épaisseur comprise entre 0,4 µm et 0,6 µm, avec une évolution de l'angle de contact (liquide/solide) en surface du revêtement de WS2 qui est parfaitement reproductible (ce qui n'était pas le cas avec les techniques antérieures rappelées plus haut). Les pièces traitées ont alors une couleur grise bleutée, qui est tout à fait caractéristique d'un dépôt d'épaisseur uniforme. Un contrôle visuel de la couleur de la pièce permet ainsi de garantir que le traitement s'est correctement déroulé, et que les caractéristiques souhaitées sont bien atteintes.
  • Par ailleurs, comme cela a été illustré sur la figure 1, on pourra également prévoir que le procédé comporte, après l'étape d) de projection de poudre de WS2, une étape d') de nettoyage de surface, puis de contrôle. Comme pour les étapes précédentes c3) et c''), le nettoyage de surface pourra être effectué au moyen d'un solvant peu agressif de type acétone, ce qui garantit une meilleure représentativité des résultats des mesures de contrôle.
  • Une telle étape finale est très intéressante avant l'utilisation des pièces traitées, et elle permet en particulier de réaliser un triple contrôle, illustré ici par trois flèches sur la figure, concernant à la fois la rugosité en surface, la mouillabilité aux fluides hydrauliques, en particulier des fluides à base d'hydrocarbures ou d'ester-phosphates, ou des fluides huileux, et le coefficient de frottement (statique et/ou dynamique).
  • On est ainsi assuré d'obtenir une pièce traitée présentant une rugosité en surface avec une valeur Ra inférieure à 0,2 µm, avec un coefficient de frottement dynamique (WS2 contre WS2 et plan sur plan) inférieur à 0,03, et un coefficient de frottement statique (WS2 contre WS2 et plan sur plan) inférieur à 0,07.
  • La mouillabilité obtenue est en outre extrêmement discriminante, dans la mesure où elle très bonne pour les fluides hydrauliques, en particulier les fluides à base d'hydrocarbures ou d'ester-phosphates, ou les fluides huileux, tout en étant très mauvaise au regard des fluides aqueux.
  • La figure 4 permet d'apprécier l'amélioration des performances en termes de mouillabilité pour le revêtement de WS2 réalisé conformément à l'invention.
  • Les courbes C1, C2 et C3 représentées sur le diagramme de la figure 4 correspondent aux variations de l'angle de contact liquide/solide (en degrés) en fonction du temps (en secondes). La courbe C1 correspond à un procédé de traitement de type traditionnel, tandis que les courbes C2 et C3 correspondent à un traitement conforme à l'invention, respectivement sans et avec nettoyage final.
  • On est ainsi parvenu à réaliser un revêtement à très faible coefficient de frottement, qui est autolubrifiant grâce au film continu créé en surface de la pièce, et ce sur une très large plage de températures, ce revêtement étant de plus est lipophile et hydrophobe. Ceci représente donc un progrès considérable par rapport aux techniques antérieures mentionnées plus haut correspondant à des processus électrolytiques.
  • On va maintenant décrire, en référence à la figure 5, un système d'étanchéité hydraulique conforme à l'invention, obtenu en mettant en oeuvre le procédé de traitement de surface qui vient d'être décrit.
  • Sur la figure 5, on distingue ainsi un système d'étanchéité hydraulique noté 100, comportant une tige 101 d'axe X en acier inoxydable à haute résistance, qui coulisse dans un ensemble d'étanchéité 102. L'ensemble d'étanchéité 102 est reçu dans un logement 106 ménagé dans un élément de support 105, en étant disposé entre deux épaulements 107, 108.
  • L'ensemble d'étanchéité 102 est constitué par un palier de guidage 103 formé d'un premier matériau et par un joint d'étanchéité 104 formé d'un deuxième matériau de dureté inférieure à celle du premier matériau. A titre d'exemple, le premier matériau constitutif du palier de guidage 103 est un polymère thermoplastique, et le deuxième matériau constitutif du joint d'étanchéité 104 est un caoutchouc. Lorsque la tige 101 se déplace de la droite vers la gauche sur la figure, le palier de guidage 103, qui peut glisser sur la tige 101, coopère avec le joint d'étanchéité 104 en le comprimant pour renforcer l'étanchéité.
  • La surface extérieure 110 de la tige 101 a été traitée en mettant en oeuvre un procédé tel que précédemment décrit, de sorte que ladite tige présente des propriétés requises à la fois en lubrification vis-à-vis du palier de guidage 103, c'est-à-dire au niveau de l'interface entre la surface extérieure 110 de la tige 101 et la surface intérieure 103.1 du palier de guidage 103, et en frottement vis-à-vis du joint d'étanchéité 104, c'est-à-dire au niveau de l'interface entre la surface extérieure 110 de la tige 101 et la surface intérieure 104.1 du joint d'étanchéité 104, afin d'en éviter l'abrasion.
  • La double fonction du revêtement de WS2 garnissant la tige coulissante 101 permet une coopération optimale avec chacun des deux composants 103, 104 constituant l'ensemble d'étanchéité 102.
  • Un tel système d'étanchéité hydraulique est tout particulièrement intéressant pour équiper des pistons de freins de véhicules.
  • Il pourra s'agir en particulier d'une tige de friction destinée à être agencée dans un piston d'une couronne hydraulique d'un frein d'aéronef. Le rôle d'une telle tige de friction est de guider le piston au cours de l'application de l'effort de freinage sur le ou les disques de frein, la tige étant équipée d'un ensemble d'étanchéité consistant en un palier de guidage en polytétrafluoroéthylène et d'un joint d'étanchéité en élastomère de type éthylène propylène. Un tel système tige/joint est alors capable de répondre à des exigences multiples, en particulier présenter un excellent comportement en frottement permettant de limiter les usures des joints et l'endommagement des tiges, et présenter une étanchéité optimale du piston face au fluide hydraulique.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut.

Claims (12)

  1. Procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique en acier à haute résistance, visant à conférer à ladite pièce des propriétés en frottement et en lubrification nécessaires à son utilisation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
    a) on soumet la pièce (P) à une étape de finition primaire organisée pour abaisser sa rugosité en surface (Ra) à une valeur inférieure ou égale à un premier seuil prédéterminé (S1) ;
    b) on soumet ensuite la pièce (P) à un nettoyage de surface au moyen d'une solution de dégraissage ;
    c) on soumet la pièce (P) ainsi nettoyée à une étape de tribofinition organisée pour d'une part abaisser encore sa rugosité en surface (Ra) à une valeur inférieure ou égale à un deuxième seuil prédéterminé (S2) qui est inférieur au premier seuil prédéterminé (S1), et d'autre part augmenter sa mouillabilité aux fluides hydrauliques ; et
    d) on soumet la pièce (P) à une projection, à haute vitesse et à température ambiante, de poudre de bisulfure de tungstène (WS2)se présentant sous la forme de platelets (p) qui se brisent ainsi en créant en surface de ladite pièce un dépôt dense et autolubrifiant.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape c) de tribofinition comporte une première étape c1) d'ébavurage par mise en agitation continue des pièces (P) à traiter avec une première solution aqueuse oxydante contenant des agents abrasifs jusqu'à obtention de la rugosité en surface (Ra) souhaitée, suivie d'une deuxième étape c2) de polissage par mise en agitation continue desdites pièces avec une deuxième solution aqueuse non oxydante contenant des agents abrasifs.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape c) de tribofinition comporte une troisième étape c3) de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface (Ra).
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier seuil prédéterminé (S1) de rugosité est sensiblement égal à 0,2 µm, et le deuxième seuil prédéterminé (S2) de rugosité est sensiblement égal à 0,1 µm.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la poudre projetée lors de l'étape d) est presque exclusivement constituée de WS2 pur, et se présente sous la forme de platelets (p) de forme sensiblement hexagonale, dont la dimension principale (D) est comprise entre 0,8 µm et 1,5 µm, et dont l'épaisseur (E) est de l'ordre de 0,1 µm.
  6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, après l'étape c) de tribofinition, une étape complémentaire c') de micro-sablage, organisée pour activer la surface de la pièce (P) en vue d'augmenter l'adhérence du revêtement déposé ensuite lors de l'étape d) de projection de poudre de WS2.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape c') de micro-sablage est suivie d'une étape c'') de nettoyage de surface, puis de contrôle de la rugosité en surface (Ra).
  8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape c') de micro-sablage est organisée de telle façon que la rugosité en surface (Ra), qui est accrue du fait du micro-sablage, reste inférieure au premier seuil prédéterminé de rugosité (S1).
  9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'étape c') de micro-sablage est mise en oeuvre avec des particules qui ne sont pas des oxydes, et dont la taille est comprise entre 5 µm et 15 µm.
  10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, après l'étape d) de projection de poudre de WS2, une étape d') de nettoyage de surface, puis de contrôle à la fois de la rugosité en surface (Ra), de la mouillabilité, et du coefficient de frottement.
  11. Système d'étanchéité hydraulique, comportant une tige (101) coulissant dans un ensemble d'étanchéité (102), caractérisé en ce que l'ensemble d'étanchéité (102) est constitué par un palier de guidage (103) formé d'un premier matériau et par un joint d'étanchéité (104) formé d'un deuxième matériau de dureté inférieure à celle du premier matériau, et en ce que la tige coulissante (101) a une surface extérieure (110) qui a été traitée en mettant en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, de sorte que ladite tige présente des propriétés requises en lubrification vis-à-vis du palier de guidage (103) et en frottement vis-à-vis du joint d'étanchéité (104).
  12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier matériau constitutif du palier de guidage (103) est un polymère thermoplastique, et le deuxième matériau constitutif du joint d'étanchéité (104) est un caoutchouc.
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