Par Dominique dubois : dubois.dominique@gmail.com

TraMetal 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.

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.


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. 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, comme cela se produit par exemple à bas régime moteur ou à froid pour les composants de la distribution, la réduction du frottement apportée par le Dylyn Plus est particulièrement sensible.

L’application d’un revêtement tribologique comme le Dylyn Plus permet également l’emploi de matériaux plus légers afin de réduire les masses en mouvement et ainsi les frottements et la consommation de carburant. Dans ce cas encore, la résistance à l’usure et le faible coefficient de frottement du revêtement constituent des paramètres essentiels.

Afin d’obtenir une conception optimale, il est important de considérer le Dylyn Plus dès le début de la phase de développement : le substrat doit en effet être choisi en fonction du revêtement. Les paramètres tels que le matériau du substrat, les traitements thermiques et la rugosité de surface sont d’une importance primordiale pour permettre au revêtement d’atteindre sa performance maximale.


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 SULZER 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.
 

L’historique du revêtement DLC en France est un peu compliqué : Le groupe belge BEKAERT est assez mal connu hormis par ses clôtures en métal soudé, activité d’ailleurs cédée comme celle des revêtements anti-usure. Disons que Bekaert est un des géants du fil métallique technique utilisé aussi bien dans les muselets de champe-noises que dans les carcasses radiales des pneus automobiles ou les hameçons.

SULZER METCO est désormais à la tête du procédé DLC, exploité depuis plus de dix ans à travers l’Europe. En France même, un établissement à Limoges, la SOREVI, et un autre à Bons-en- Chablais, sur les rives françaises du lac Léman, assurent le développement et la 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.