Technologie/Matériaux/Traitements de surface

Matériaux

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Introduction

Les traitements de surface sont des traitements ayant pour but de modifier les propriétés physiques et/ou chimiques des matériaux. Un traitement de surface ajoute un coût et des contraintes supplémentaires :

• coût de main d'œuvre, de transport en cas de sous-traitance ;
• coût de consommables, de l'énergie ;
• problème environnementaux et sur la santé liés aux effluents : vapeurs, bains utilisés.

L'intérêt d'un traitement de surface est de :

• permettre d'utiliser un matériau moins cher, en améliorant localement ses propriétés ;
• allier les propriétés propres du matériau (propriétés à cœur) et les propriétés de surface.

Le traitement de surface est en général le dernier traitement de la pièce avant livraison : toute opération subséquente risquerait de dégrader le traitement.

En conception, il faut prendre en compte le traitement de surface dès le départ :

• il fait partie du choix du matériau ;
• il peut imposer des contraintes sur la forme, en général éviter les angles vifs et les recoins ;
• il faut prendre en compte la surépaisseur engendrée dans la dimension des pièces.

Vocabulaire

Nous allons tout d'abord préciser quelques points de vocabulaire pouvant prêter à confusion.

Cémentation

Dans le sens premier, la cémentation est l'opération consistant à faire pénétrer du carbone dans la surface d'un acier, à le faire diffuser. Le terme a été étendu à la pénétration de tout élément chimique, sans qu'il y ait de réaction chimique en surface avec le métal.

Chromatation, chromisation, chromage

Il existe plusieurs traitements de surface faisant intervenir le chrome :

• le chromage consiste à déposer une couche de chrome sur le métal ;
• la chromisation consiste à faire diffuser du chrome sous la surface (cémentation au chrome) ;
• la chromatation consiste à créer des chromates par réaction chimique entre le métal et le bain de traitement (traitement de conversion).

Classement par procédé

• Modification mécanique de la surface :
  • écrouissage (écrasement de la matière) :
    • galetage,
    • grenaillage,
    • moletage,
  • polissage (enlèvement de matière) :
    • polissage mécanique (abrasion), bouchonnage ;
    • polissage électrolytique (dissolution acide assistée par un passage de courant électrique) ;
• traitements thermiques :
  • trempe superficielle ;
• traitement thermochimique (diffusion d'atomes activée thermiquement), en phase gazeuse, liquide ou par implantation ionique :
  • cémentation (carbone),
  • nitruration (azote),
  • carbonitruration (carbone et azote),
  • sulfonitruration (soufre et azote),
  • chromisation (chrome) ;
• revêtement :
  • dépôts électrolytique (passage de courant électrique dans une solution ionique) :
    • argenture (argent),
    • cadmiage (cadmium),
    • chromage (chrome),
    • cuivrage (cuivre),
    • dorure (or),
    • étamage (étain),
    • galvanisation électrolytique, zingage (zinc),
    • nickelage (nickel),
  • bain de métal liquide :
    • galvanisation à chaud (zinc),
  • peinture (formation d'une couche de polymère),
  • revêtement thermoplastique (plaquage de polymère),
• traitement de conversion (réaction chimique entre le métal et le bain de traitement) :
  • anodisation (oxygène),
  • chromatation (chrome),
  • phosphatation (phosphore).

Classement par fonctions

Nous classons ici les traitements par fonction, dans l'optique d'une approche conception. Un traitement peut donc se retrouver dans plusieurs catégories à la fois ; on n'indique alors pas tous les domaines d'application à chaque fois, mais uniquement les domaines concernés par la fonction décrite.

Modifier les propriétés mécaniques

Le but des ces traitements est d'améliorer les propriétés de contact.

Pour plus de détails voir : Tribologie/Traitements anti-usure et Tribologie/Revêtements anti-usure.

Durcir

Les traitements de durcissement sont utiles pour les pièces soumises au frottement ou au roulement — résistance l'usure —, au matage et aux chocs — évite la déformation —, lorsqu'il n'est pas nécessaire d'avoir une bonne résistance à cœur — la pièce n'est pas soumise à une sollicitation globale importante (traction, compression, cisaillement, torsion, flexion). Le durcissement superficiel s'accompagne en général d'une fragilité ; on peut donc associer une bonne résilience à cœur (déformation sans rupture en cas d'accident) et une bonne dureté superficielle.

Dans le cas des sollicitations en flexion et en torsion, les contraintes sont maximales à la surface de la pièce. Un traitement de surface peut donc améliorer les propriétés globales d'une pièce sollicitée « dans la masse ».

Traitements de durcissement

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté		Domaines d'application
			Vickers HV	Rockwell HR
Anodisation	aluminium et alliages	0,01 à 0,12 mm		50 à 70	pièces d'usure
Carbonitruration	aciers de cémentation et de nitruration	0,05 à 0,5 mm			articulations, arbres
Cémentation + trempe superficielle	aciers de cémentation (non alliés à faible teneur en carbone)	0,5 à 1 mm	550		pièces d'usure, arbre à cames
Chromisation	aciers à faible teneur en carbone	25 à 500 μm	1 000 à 1 600		limes, filières, fraises dentaires
Nitruration	aciers de nitruration (alliés au Cr, Al)	0,1 à 0,5 mm	600 à 1 200		pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe
Trempe superficielle	aciers de cémentation (non alliés à forte teneur en carbone)	0,5 à 5 mm	variable		dents d'engrenage, bancs de machine-outil

Amollir

On peut vouloir au contraire avoir une surface plus souple, plus molle, par exemple pour éviter de blesser.

Traitements de durcissement

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté	Domaines d'application
Dépôt PVC	alliages ferreux, aluminium et alliages, verres	200 à 300 μm		fils

Résister à la fatigue

Dans le cas d'une rupture en fatigue, la fissure commence en général en surface. Par ailleurs, la sollicitation en fatigue se fait souvent par flexion ou torsion, ce qui nous ramène à la remarque de la section précédente. Ceci explique qu'un traitement de surface peut améliorer la tenue en fatigue d'une pièce.

Les traitement d'écrouissage de surface et de cémentation mettent la surface en compression (précontrainte) et donc évitent l'alternance traction-compression. Les traitements d'élimination des rayures par écrouissage, polissage mécanique ou polissage électrolytique, évitent les concentrations de contrainte ; cependant, les polissages enlèvent de la matière et donc éliminent l'écrouissage superficiel, qui est lui bénéfique contre la fatigue.

Traitements de résistance à la fatigue

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Carbonitruration	aciers de cémentation et de nitruration	0,05 à 0,5 mm		sollicitations en flexion/torsion : articulations, arbres
Grenaillage, moletage, galetage	métaux et alliages ductiles			ressorts, arbres
Polissage	métaux et alliages ductiles
Sulfonitruration	alliages ferreux	20 à 30 μm	700 à 1 000	glissières, paliers, guides

Réduire les coefficients d'adhérence et de frottement

La réduction des coefficients d'adhérence (μ_o ou ƒ_o) et de frottement (μ ou ƒ) permet d'éviter le grippage, l'arc-boutement et l'usure, et améliore le rendement du mécanisme (moins de dissipation sous forme de chaleur). Cela peut éviter d'avoir à lubrifier. On a donc une augmentation de la durée de vie des pièces, une réduction du coût de fonctionnement et du coût de maintenance.

Traitements de réduction de l'adhérence et du frottement

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Chromage dur	alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages	0,05 à 0,5 mm	900 à 1 000	cycles, ameublement
Chromisation	aciers à faible teneur en carbone	25 à 500 μm	1 000 à 1 600	limes, filières, fraises dentaires, moules
Nitruration	aciers de nitruration (alliés au Cr, Al)	0,1 à 0,5 mm	600 à 1 200	pignons, broches, glissières, axes, matrices d'estampage, outils de coupe
Phosphatation	alliages ferreux	0,05 à 0,5 mm	900 à 1 000	tôles d'emboutissage, billettes pour tréfilage
Sulfonitruration	alliages ferreux	20 à 30 μm	700 à 1 000	glissières, paliers, guides

Résister à l'environnement

On s'intéresse ici à l'inertie chimique : résistance à la corrosion, mais aussi résistance au milieu industriel — produits circulant dans les tuyauteries ou stockés dans les cuves. Dans la partie « domaine d'application », nous nous contentons d'indiquer éventuellement les milieux chimiques spécifiques.

Traitements de protection contre la corrosion

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Anodisation	aluminium et alliages	0,01 à 0,12 mm		menuiserie
Cadmiage	alliages ferreux, cuivre et ses alliages	2 à 30 μm	25 à 30	milieu alcalin
Carbonitruration	aciers de cémentation et de nitruration	0,05 à 0,5 mm
Chromatation	zinc et ses alliages (acier galvanisé), aluminium et ses alliages, cadmium
Chromisation	aciers à faible teneur en carbone	25 à 500 μm	1 000 à 1 600
Galvanisation	alliages ferreux, aluminium et ses alliages	5 à 30 μm	70 à 240	atmosphère marine
Étamage	alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages	5 à 30 μm		milieu alimentaire (fer blanc) et chimique
Nickelage	alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages	5 à 75 μm	150 à 400	hautes températures, produits chimiques, alimentaire, nucléaire
Nitruration	aciers de nitruration (alliés au Cr, Al)	0,1 à 0,5 mm	600 à 1 200
Peinture	tous supports	10 à 20 μm		milieux non abrasif, températures modérées
Phosphatation	alliages ferreux	0,05 à 0,5 mm	900 à 1 000	en préparation de peinture

Modifier les propriétés électriques

La conduction électrique se fait en surface (effet de peau) : le champ électrique est nul au sein d'un conducteur, et tous les métaux sont conducteurs. Un traitement de surface permet donc d'améliorer la conductivité électrique (diminuer la résistance électrique de la pièce). Par ailleurs, si l'on forme une couche isolante électrique, on empêche le passage du courant dans la pièce.

Améliorer la conductivité

Traitements d'amélioration de la conductivité électrique

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Argenture	tous métaux et alliages, plastiques	5 à 400 μm	25 à 80
Cadmiage	alliages ferreux, cuivre et ses alliages	2 à 30 μm	25 à 30
Cuivrage	alliages ferreux, aluminium et ses alliages, zinc et ses alliages	5 à 25 μm	50 à 100
Dorure	tous métaux et alliages, plastiques	0,2 à 5 μm	20 à 60

Isoler électriquement

Traitements d'isolation électrique

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Anodisation	aluminium et alliages	0,01 à 0,12 mm
Peinture	tous supports	10 à 20 μm		milieux non abrasif, températures modérées
Phosphatation	alliages ferreux	0,05 à 0,5 mm

Être esthétique

Traitements esthétiques

Traitement	Métal support	Épaisseur	Dureté Vickers HV	Domaines d'application
Anodisation	aluminium et alliages	0,01 à 0,12 mm
Argenture	tous métaux et alliages, plastiques	5 à 400 μm	25 à 80
Chromage dur	alliages ferreux, aluminiums et alliages, zinc et alliages, laiton	0,05 à 0,5 mm	900 à 1 000	cycles, ameublement, robinetterie
Dorure	tous métaux et alliages, plastiques	0,2 à 5 μm	20 à 60
Grenaillage, molletage, galetage	métaux et alliages ductiles
Polissage	métaux et alliages ductiles
Peinture	tous supports	10 à 20 μm		milieux non abrasif, températures modérées

Bibliographie

• C. Hazard, F. Lelong, B. Quizain, Mémotech structures métalliques, Casteilla, 1997 (ISBN 2-7135-1751-6), p. 40-41

Images en réserve

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