EP1307598A1 - Procede de traitement de nanonstructures et dispositif de traitement de nanostructures - Google Patents

Procede de traitement de nanonstructures et dispositif de traitement de nanostructures

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EP1307598A1
EP1307598A1 EP01960844A EP01960844A EP1307598A1 EP 1307598 A1 EP1307598 A1 EP 1307598A1 EP 01960844 A EP01960844 A EP 01960844A EP 01960844 A EP01960844 A EP 01960844A EP 1307598 A1 EP1307598 A1 EP 1307598A1
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EP
European Patent Office
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balls
determined
nanostructures
generating nanostructures
metal part
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EP01960844A
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EP1307598B1 (fr
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Jian c/o Université de Technologie de Troyes LU
Ke c/o The Institute of Metal Research LU
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Institute of Metal Research of CAS
Universite de Technologie de Troyes
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Universite de Technologie de Troyes
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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
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00—Treatment for obtaining particular effects
    • C21D2201/03—Amorphous or microcrystalline structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating nanostructures on metal parts and a device for treating nanostructures.
  • Nanocrystalline materials are characterized by ultra fine grains typically of less than 100 nm in at least one dimension. These materials are produced by known methods such as, for example, IGC (inert gas condensation and consolidation) by condensation and consolidation in an inert gas, SPD (severe plastic deformation) intense plastic deformation, etc. These methods have the disadvantage to generate materials which are not without porosity, contamination and of sufficient size for industrial applications.
  • the aim of the process of the invention is to create a layer of this same material on the surface of the material, having component grains of a few tens of nanometers forming what is commonly called a layer of nanoscale microstructures or nanostructures.
  • Shot peening of the surface of a material for example metallic
  • the balls are projected using a jet of compressed air.
  • the balls are not immediately reused and pass through a recycling device before replenishing the jet lance.
  • each incident jet on the part is unidirectional at a determined angle for a given surface.
  • continuous scanning of the part is required during the shot blasting to obtain a homogeneous surface.
  • the results obtained show that the surface of the treated part contains little or no nanostructure.
  • the only advantage of the conventional shot process lies in the fact that higher ball speeds can be obtained than in the generation of nanostructures by ultrasound. Indeed, the generation of nanostructures by ultrasound makes it possible to obtain ball speeds between 5 and 20m / s, while shot blasting by pneumatic gun makes it possible to obtain ball speeds between 10 and 100m / s.
  • the present invention therefore aims to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a process for treating nanostructures making it possible to obtain in a defined area of a part to be treated, physicochemical properties which cannot be obtained in the usual procedures.
  • This goal is achieved by the process of generating nanostructures for obtaining a layer of nanostructures of defined thickness over a region of the surface of a metal part, characterized in that it comprises:
  • Another object of the invention consists in proposing a device for treating nanostructures making it possible to obtain determined physicochemical properties on a part.
  • the device for generating nanostructures over a determined thickness of a metal part comprising means for setting in motion, at a determined speed, balls of determined size, characterized in that the balls used are perfectly spherical and that the means for setting in motion with a determined speed comprise means for obtaining angles of variable incidence for the same point of impact, means for re-using the balls and means for diffusing a chemical compound into a waterproof enclosure.
  • FIG. 2A shows in section an alternative embodiment of the invention with application of constraints
  • FIG. 2B shows in section a top view of the wedge used in the alternative embodiment of the invention with application of constraints;
  • FIG. 3A shows an elevational view of a second alternative embodiment of the invention with application of constraints
  • FIG. 3B shows a top view of the lower plate of the second variant with constraints
  • Figure 4 shows a diagram of another device for generating nanostructures by ultrasound usable with the stressing devices shown in Figure 2;
  • FIGS. 5A and 5B represent the curve representing the rate and the penetration of nitrogen during an ion nitriding treatment in a part treated according to the process for generating nanostructures according to the invention, respectively for a temperature of 550 ° C. and 350 ° C.
  • the principle of the invention is to carry out a treatment of the surface of a metal part to modify the mechanical characteristics of the metal part, while benefiting from the modification of the diffusion properties in the surface layer of the treated surface.
  • the mechanical properties of nanoscale microstructures or of nanostructure are well known.
  • current research aims to develop manufacturing processes allowing parts to be obtained which consist solely of nanostructures.
  • the subject of the invention is quite different, it consists, by through a process for generating nanostructures (described later) to produce a surface layer of nanostructures giving the entire part the properties, for example mechanical (fatigue, wear or friction, corrosion under tension, etc.) ) desired, this being sufficient to guarantee the properties targeted for the part.
  • the size of the metal grains on the surface of the part must be reduced.
  • the grains have a dimension of the order of 100 ⁇ m.
  • the grain size is no more than of the order of a few tens of nanometers.
  • FIG. 1 represents a diagram of a device for generating nanostructures by bombardment in an acoustic insulation enclosure (25).
  • a process for generating nanostructures by ultrasound or by compressed air is already known.
  • the results obtained with this process are not sufficient in many cases. Indeed, nanostructures are obtained over a very small thickness of the part which is of the order of a micron.
  • the principle of generation of nanostructures by bombardment according to FIG. 1 is to set the balls (22) in motion, by means of a projection nozzle (23) of perfectly spherical balls (22).
  • the nozzle (23) is mounted in an enclosure (20) whose walls allow the ricochet of the balls, on an axis of rotation (230) to be able to pivot in the directions A, B, so as to be able to sweep, from a determined location on the axis of rotation (230), the entire surface to be treated.
  • the axis of the nozzle is mounted on an assembly movable in translation in three directions (C, D, G) parallel to the surface to be treated.
  • the part (10) is held in position by gripping means (21) blocking the part (10) in translation and in rotation and allowing the distance of the part to be adjusted relative to the source of emission of the projectiles.
  • the enclosure comprises means for rapid recovery and recycling of the balls to the nozzle (23) so that only a determined quantity of balls is used in the enclosure of the device.
  • These means are, for example, constituted by a shape of the enclosure, for example in a conical or hemispherical bowl favoring the recovery by gravity of the balls and an orifice (200) located in this zone for conducting, by a flexible system (240) , the balls towards the nozzle (23).
  • the nozzle can be fixed, the part is set in similar movement.
  • the sealed enclosure (25) are arranged means (26) of diffusion or vaporization allowing the realization of one or more of the chemical or thermochemical treatments described below, possibly associated with means of heating the enclosure or of the part
  • Each nanostructure generation device is formed in a leaktight manner for chemical treatments by diffusion or vaporization or the like.
  • the bowl (20) can be provided with channels (28) for circulation of the fluids, or a space (27) can be provided between the part to be treated or its support and the bowl (22).
  • nanostructures on the treated surface of the part causes a modification of the law of diffusion in the treated zone. Indeed, the multiplication of the metal grains also multiplies the number of borders between the grains. These boundaries then constitute as many nanometric channels allowing the diffusion of chemical compounds having a size of the order of a few atoms. Thus, these compounds can penetrate deeper and more significantly into the treated surface of the part, which makes it possible to obtain mechanical, physical or chemical properties. interesting.
  • FIGS. 5A and 5B represent the curve representing the rate and the penetration of nitrogen during ionic nitriding for a temperature of 550 ° C. and 350 ° C.
  • the curve shown in FIG. 5A corresponds to the measurement of the nitrogen content as a function of the thickness of the treated surface, when the part has undergone nitriding for two hours at a temperature of 550 ° C.
  • the curve in solid lines corresponds to the measurement carried out for a surface previously treated according to the process for generating nanostructures according to the invention.
  • the treatment for generating nanostructures on the surface made it possible to obtain a nanostructure over a thickness of approximately 20 ⁇ m.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement made for an untreated surface by generation of nanostructures.
  • the rate of nitrogen which has penetrated for the nitriding treatment at 550 ° C. is uniform in the thickness of the part and equal to 5%.
  • the nitrogen level is five times greater than the rate of the untreated part, in the thickness in which the nanostructures are formed. Then, in the thickness of the part no longer comprising nanostructures, the nitrogen content decreases rapidly to a rate corresponding to the rate obtained according to the nitriding process of the prior art.
  • This treatment makes it possible to obtain microstructures of more favorable material with regard to fatigue, fatigue by small clearance (fretting fatigue) and contact fatigue.
  • the curve shown in FIG. 5B corresponds to the measurement of the nitrogen content as a function of the thickness of the treated surface, when the part has undergone nitriding for two hours at a temperature of 350 ° C.
  • the curve in solid lines corresponds to the measurement carried out for a surface previously treated according to the process for generating nanostructures according to the invention.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement made for an untreated surface by generation of nanostructures.
  • the treatment for generating nanostructures on the surface made it possible to obtain a nanostructure over a thickness of 20 ⁇ m. It is found that according to the prior art, the nitrogen level is uniform in the thickness of the part and equal to 1%. This rate is too low to satisfactorily modify the mechanical properties of the surface of the part.
  • the nitrogen level is 17 times higher than the rate of the untreated part at the surface. Then, the nitrogen level decreases slowly in the thickness of the part comprising the nanostructure, in the end being equal to the rate obtained according to the nitriding process of the prior art when the layer of the part no longer comprises nanostructures.
  • the nitriding process according to the prior art is carried out only from a certain temperature, for example close to 550 ° C., for a piece of pure iron. It can therefore be seen that the pretreatment of the part not only makes it possible to obtain a good structure on the surface of a part, but also makes it possible to lower the treatment temperature while retaining, in the case of treatment at 350 ° C. , a nitrogen level higher than the rate obtained without treatment by generation of nanostructures according to the invention.
  • nitriding must be performed at a temperature of about 550 ° C, but at this temperature a metal part necessarily undergoes deformations. For parts whose geometric precision is essential, such deformations are not admissible, which consequently prohibits nitriding according to the method of the prior art.
  • the process for generating nanostructures according to the invention it is therefore possible to lower the treatment temperature and therefore to reduce or eliminate the deformations of the part. Consequently, precision parts can undergo nitriding, which was impossible according to the prior art.
  • the preliminary treatment according to the process for generating nanostructures of the invention also makes it possible to reduce the duration of the treatment.
  • the presence of nanostructures and in particular nanometric diffusion channels allows a faster diffusion of the compounds in the surface layer of the part. What has just been explained for nitriding is also true for any surface treatment or physicochemical surface process depending on the law of diffusion in the surface layer of a part.
  • the methods of carburizing, carbonitriding, ionic implementation, catalysis or storage of ions in a metal structure are modified when the part undergoes beforehand the process for generating nanostructures according to the invention, that is to say say when it comprises a layer of nanometric microstructures over a thickness of ten or a few tens of microns.
  • the surface to be treated can be put under mechanical stress, for example by clamping the part (10) with suitable gripping means (21).
  • gripping means are, for example, constituted by a sole (21.2) on which are mounted clamps (21.1) to clamp the workpiece against a wedge protective (21.3) interposed between the part (10) and the sole (21.2).
  • a rod (21.4) passing through the sole (21.2) and the shim (21.3) applies a force to the part (10) retained by the flanges (21.1).
  • the pressure force can be obtained by threading the rod 21.4 and screwing it into a threaded hole (21.21) formed in the sole (21 .2).
  • the invention is not limited to the embodiments described but encompasses any mode making it possible to apply mechanical stresses in one or more places of a part.
  • several rods can be provided to apply different stresses in several places to obtain different thicknesses of nanostructures, proportional to the value of the stresses applied at the respective points.
  • traction means on each of the ends of the part make it possible to stress it.
  • These means consist, for example, of an upper plate (31) and a lower plate (32) kept spaced apart by an adjustable distance by three tie rods (33) arranged at 120 ° and stressing the ends of the part in traction. made integral with each tray.
  • the part can, for example, pass through each plate through orifices and come to bear against the surface of each plate facing outwards by means of rings forming shoulders and made integral with the ends of the part by a transverse locking screw. to the ring.
  • the plates, in particular that (32) oriented towards the projectile emission zone, are provided, as shown in FIG.
  • FIG. 4 represents a diagram of another device for generating nanostructures by ultrasound which can be used for carrying out the invention and optionally with the stressing device shown in FIG. 2.
  • the ultrasonic device of Figure 4 can also be used with the device of FIG. 3.
  • the sonotrode (24) is made integral with a bowl (20) whose upper orifice is closed by a device (21), for example of the type of FIG. 2, for stressing the part (10) to be treated.
  • the device (21) is mounted relative to the bowl (20) on means allowing the adjustment of the distance between the face exposed to the bombardment and the bottom of the bowl (201) which constitutes the emitting surface of the balls (22).
  • the principle of setting the balls in motion by ultrasound is to set the balls (22) in motion, by means of an ultrasonic generator (24) operating at a determined frequency, which communicates a movement of amplitude and of determined speed. in the bowl (20).
  • the amplitude of the movement of the sonotrode can be chosen from a few microns to a few hundred microns.
  • the balls (22) draw their energy from the movement of the bowl and will strike the surface of the part (10) a large number of times, according to variable and multiple incident angles, creating at each impact a plastic deformation of the grains made up of 'an agglomerate of molecules of matter or alloy, having any meaning.
  • the applied stress may be thermal.
  • the surface to be treated is heated, either entirely to obtain a uniform thickness of nanocrystalline structures over the entire surface of the part subjected to the bombardment of beads, or locally to obtain variations in thickness of nanocrystalline structures.
  • heating means by radiation, conduction or convection are installed in the bowl or on the part or in the acoustic enclosure of the machine.
  • the processing time is used to determine the thickness of the nanostructure. It has been observed that, up to a determined value of different duration as a function of the size of the beads, the more the duration increases the more the thickness of the layer of nanostructures increases up to a duration corresponding to saturation and no longer allowing to modify the thickness of the layer. This determined value is obtained either by experience or by a mathematical model for a given material. However, when the duration becomes greater than the determined value, the thickness of the nanostructure layer decreases. This phenomenon is due to the fact that the impact of the balls on the surface to be treated generates a release of heat which heats the material. However, from a certain threshold, the heat has the effect of increasing the size of the metal grains.
  • the general principle for choosing the parameters of the process for generating nanostructures according to the invention is that, the more the kinetic energy the larger the beads, the greater the level of stress generated in the sub-layer.
  • the upper limit of the kinetic energy is defined, in particular by heating caused by the release of this kinetic energy during the impact on the surface to be treated and by the mechanical resistance of the balls and of the material constituting the part. This drawback can be reduced or eliminated by cooling the enclosure or the room with a cooling system. Indeed, as explained above, the rise in temperature tends to make the metal grains magnify, and the material must not crack. Other parameters can be taken into account to obtain larger layers of nanostructures or to reduce the duration of treatment.
  • the hardness of the balls plays a role, in particular in the transfer of the kinetic energy from the ball to the surface of the part.
  • the acoustic pressure generated by the sound waves also influences the process of generating the nanostructure.
  • the generation of nanostructures by ultrasound or the projection of the jets of beads can be carried out in a medium containing a specific specific gas modifying the mechanical behavior or the chemical chemical composition of the surface of the material during impacts. marbles.
  • the surface to be treated must be exposed to a generation of nanostructures by ultrasound for 2 to 3 minutes with beads 3 mm in diameter.
  • the surface to be treated must be exposed to a generation of nanostructures by ultrasound for approximately 400 s with balls of 300 ⁇ m in diameter.
  • the processing time for the generation of nanostructures in common metal alloys or materials is between 50 and 1300 s and that the diameter of the beads used is understood between 300 ⁇ m and 3mm. The total time required can be extended or reduced depending on the material.
  • the process for generating nanostructures is characterized by the fact that it comprises: a step of spraying onto the surface of the part (10) to be treated, for a determined duration, at a determined speed and under variable incidences at the same point of impact, of a determined quantity of perfectly spherical balls (22) of determined dimensions and reused continuously during projection; repetition of the previous step with displacement of the point of impact so that all of the points of impact cover the entire surface to be treated of the part; - a chemical treatment step for at least part of the time of generation of the nanostructures.
  • the treatment step is a nitriding comprising placing the part (10) to be treated under a nitrogen atmosphere, at a determined temperature between 350 and 550 ° C., for a determined period of between 30 minutes and 10 hours.
  • the processing step comprises case hardening in the metal structure of the part.
  • the treatment step comprises carbonitriding.
  • the processing step includes an ionic implementation.
  • the processing step includes a thermochemical treatment whose diffusion plays an active role.
  • the projection step is carried out after filling the enclosure in which the device for generating nanostructures is placed with inert gas. In another embodiment, the projection step is carried out after filling the enclosure with chemically active gas.
  • the generation method comprises a step of mechanical and / or thermal stressing of the metal part (10) to be treated.
  • the step of projecting the balls (22) is carried out by means of an ultrasonic generator (20) whose sound waves cause the movement of the balls (22) with random directions.
  • the diameter of the perfectly spherical balls (22) is between 300 ⁇ m and 3 mm depending on the desired thickness of the layer of nanostructures of a user.
  • the projection time is determined as a function of the thickness of nanostructures desired by the user. In another embodiment, the duration of projection of the balls (22) is between 30 and 1300s.
  • the treatment is carried out at low temperatures below ambient temperature.
  • the device for generating nanostructures over a determined thickness of a metal part (10) comprising means for setting in motion at a determined speed balls (22) of determined dimensions is characterized in that the balls (22) used are perfectly spherical and that the means for setting in motion with a determined speed comprise means for obtaining variable angles of incidence for the same point of impact, means for reusing the balls (22) and means (26) for diffusing 'a chemical compound in a sealed enclosure (25).
  • the generation device comprises means for stressing the metal part (10) and / or means for heating the part (10).
  • the means for moving the balls (22) comprise an ultrasonic generator (20) causing the movement of the balls (22) with random directions, the means for reusing the balls (22) being constituted by the enclosure of the ultrasonic generator.
  • the device for generating nanostructures comprises means for adjusting the distance (d) between the source of emission of the beads and the part to be treated.
  • the distance is of the order of 4 to 40 mm.
  • the distance is preferably of the order of 4 to 5 mm.
  • the device for generating nanostructures comprises means for adjusting the duration of emission of the balls and their speed.
  • the balls are of an amount such that they occupy, when the means for setting in motion by ultrasound are inactive, an area greater than 30% of the area of the sonotrode.
  • the speed is between 5 and 100m / s. In another embodiment, the speed is of the order of 5 to
  • the means for moving the balls (22) comprise means for projecting a jet of balls (22) with an angle of incidence of the balls (22) relative to the surface of the part (10), variable as a function of time and of the means of producing a relative displacement parallel to the part of the projection means when several angles of incidence have been produced on the same point of impact.
  • the device for generating nanostructures comprises means for locally cooling the treated area of the part.
  • the duration of projection of the balls (22) is between 30 and 1300 s
  • the device is enclosed in an acoustic insulation enclosure (25).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de génération de nanostructures pour obtenir sur une zone de la surface d'une pièce (10) métallique une couche de nanostructure d'épaisseur définie caractérisé en ce qu'il comprend: une étape de projection sur un point d'impact de la zone de surface de la pièce (10) à traiter, pendant une durée déterminée, à une vitesse déterminée, d'une distance déterminée et sous des incidences variables au même point d'impact d'une quantité déterminée de billes (22) parfaitement sphériques, de dimensions déterminées et réutilisées en permanence pendant la projecton; réitération de l'étape précédente avec déplacement du point d'impact de façon que l'ensemble des points d'impact couvrent la totalité de la surface à traiter de la pièce; une étape de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructure générée lors de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de l'étape de mise en oeuvre du procédé de génération de nanostructures.

Description

Procédé de traitement de nanostructures et dispositif de traitement de nanostructures
La présente invention concerne un procédé de traitement de nanostructures sur des pièces métalliques et un dispositif de traitement de nanostructures.
Les matériaux nanocristallins sont caractérisés par des grains ultra fins typiquement de moins de 100nm dans au moins une dimension. Ces matériaux sont produits par des procédés connus tels que, par exemple, IGC (inert gas condensation and consolidation) par condensation et consolidation dans un gaz inerte, SPD (severe plastic déformation) déformation plastique intense, etc.. Ces méthodes ont l'inconvénient de générer des matériaux qui ne sont pas sans porosité, contamination et de taille suffisante pour des applications industrielles.
Le procédé de l'invention a pour objectif de créer sur la surface du matériau une couche de ce même matériau présentant des grains de composant de quelques dizaines de nanomètres formant ce qui est communément appelé une couche de microstructures nanométriques ou nanostructures.
Il est connu dans l'art antérieur des procédés de grenaillage classique. Le grenaillage de la surface d'un matériau, par exemple métallique, consiste à projeter sur cette surface des projectiles, par exemple des billes, de petite dimension, à des vitesses comprises entre 5 et 100m/s. Selon cet art antérieur, les billes sont projetées à l'aide d'un jet d'air comprimé. Selon ce procédé de grenaillage les billes ne sont pas réutilisées immédiatement et passent par un dispositif de recyclage avant de réapprovisionner la lance à jet. Par ailleurs chaque jet incident sur la pièce est unidirectionnel sous un angle déterminé pour une surface donnée. En outre, il faut un balayage continu de la pièce pendant le grenaillage pour obtenir une surface homogène. De plus, les résultats obtenus montrent que la surface de la pièce traitée ne comprend pas ou peu de nanostructure. Le seul intérêt du procédé de grenaille classique réside dans le fait que l'on puisse obtenir des vitesses de billes plus importantes que dans la génération de nanostructures par ultrasons. En effet, la génération de nanostructures par ultrason permet d'obtenir des vitesses de billes comprises entre 5 et 20m/s, alors que le grenaillage par pistolet pneumatique permet d'obtenir des vitesses de billes comprises entre 10 et 100m/s.
Il est également connu par la demande de brevet FR 2 689 431 ou la demande de brevet Russe 1 391 135, un procédé de durcissement par ultrason de pièces métalliques qui consiste à mettre en mouvement dans un volume fermé des billes pendant un temps prédéterminé, par l'intermédiaire d'un générateur à ultrasons. Selon le procédé de la demande de brevet français on peut obtenir en fonction de la vitesse, soit une rugosité déterminée, soit une profondeur déterminée de couche durcie. Pour obtenir un traitement uniforme la vitesse de déplacement de l'émetteur doit satisfaire une certaine valeur, en deçà de laquelle il y a écrouissage de la surface et au-delà de laquelle le traitement ne sera pas régulier, c'est à dire que n'importe quel point de la surface n'aura pas été frappé, ne serait-ce qu'une fois. Les vitesses envisagées dans cette demande de brevet ne sont que de quelques dizaines de centimètres par seconde et les amplitudes de l'émetteur de 100μm. Ainsi, le mode opératoire connu ne permet de créer une couche de durcissement sans obtenir une structure nanométrique sur une profondeur significative.
La présente invention a donc pour objet de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de traitement de nanostructures permettant d'obtenir dans une zone définie d'une pièce à traiter, des propriétés physico-chimiques qui ne peuvent être obtenues dans les procédés habituels.
Ce but est obtenu par le procédé de génération de nanostructures pour obtenir sur une zone de la surface d'une pièce métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définie, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de projection sur un point d'impact de la zone de surface de la pièce à traiter, pendant une durée déterminée, à une vitesse déterminée, d'une distance déterminée et sous des incidences variables au même point d'impact, d'une quantité déterminée de billes parfaitement sphériques de dimensions déterminées, et réutilisées en permanence pendant la projection,
- réitération de l'étape précédente avec déplacement du point d'impact, de façon que l'ensemble des points d'impact couvrent la totalité de la surface à traiter de la pièce
- une étape de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de l'étape de mise en œuvre du procédé de génération de nanostructures.
Un autre but de l'invention consiste à proposer un dispositif de traitement de nanostructures permettant l'obtention sur une pièce des propriétés physico-chimiques déterminées.
Ce but est atteint grâce au dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce métallique comprenant des moyens de mise en mouvement, à une vitesse déterminée, de billes de dimension, déterminées, caractérisé en ce que les billes utilisées sont parfaitement sphériques et que les moyens de mise en mouvement avec une vitesse déterminée comportent des moyens d'obtention d'angles d'incidence variable pour le même point d'impact, des moyens de réutilisation des billes et des moyens de diffusion d'un composé chimique dans une enceinte étanche. L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un schéma d'un dispositif de génération de nanostructures par bombardement.
- la figure 2A représente en coupe une variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes; - la figure 2B représente en coupe une vue de dessus de la cale utilisée dans la variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes;
- la figure 3A représente une vue en élévation d'une deuxième variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes;
- la figure 3B représente une vue de dessus du plateau inférieur de la deuxième variante de réalisation avec contraintes
- la figure 4 représente un schéma d'un autre dispositif de génération de nanostructures par ultrasons utilisable avec les dispositifs de mises sous contrainte représentés à la figure 2;
- les figures 5A et 5B représentent la courbe représentant le taux et la pénétration de l'azote durant un traitement nitruration ionique dans une pièce traitée selon le procédé de génération de nanostructures selon l'invention, respectivement pour une température de 550°C et 350°C.
Le principe de l'invention est de réaliser un traitement de la surface d'une pièce métallique pour modifier les caractéristiques mécaniques de la pièce métallique, en bénéficiant de la modification des propriétés de diffusion dans la couche superficielle de la surface traitée.
Selon l'art antérieur, les propriétés mécaniques des microstructures nanométriques ou de la nanostructure sont bien connues. En effet, plus la taille des grains de métaux est faible, plus la résistance mécanique de la pièce est grande. Ainsi, la recherche actuelle vise à développer des procédés de fabrication permettant d'obtenir des pièces constituées uniquement de nanostructures. L'objet de l'invention est tout autre, il consiste, par l'intermédiaire d'un procédé de génération de nanostructures (décrit ultérieurement) à réaliser une couche superficielle de nanostructures donnant à l'ensemble de la pièce les propriétés, par exemple mécaniques (fatigue, usure ou frottement, corrosion sous tension, etc..) souhaitées, ceci étant suffisant pour garantir les propriétés visées pour la pièce.
Pour obtenir une nanostructure, il faut diminuer la taille des grains de métal de la surface de la pièce. Initialement, pour une pièce, par exemple réalisée en fer pur, les grains ont une dimension de l'ordre de 100μm. A l'issue du traitement par grenaillage selon l'invention, la taille des grains n'est plus que de l'ordre de quelques dizaines de nanometres. Pour diminuer la taille des grains sur une surface entière, il faut créer à la surface du matériau une déformation plastique dans toutes les directions et de façon aléatoire.
La figure 1 représente un schéma d'un dispositif de génération de nanostructures par bombardement dans une enceinte d'isolation acoustique (25). Comme expliqué précédemment, un procédé de génération de nanostructures par ultrasons ou par air comprimé est déjà connu. Cependant les résultats obtenus avec ce procédé ne sont pas suffisants dans beaucoup de cas. En effet, on obtient des nanostructures sur une très faible épaisseur de la pièce qui est de l'ordre du micron. Le principe de génération de nanostructures par bombardement selon la figure 1 est de mettre les billes (22) en mouvement, par l'intermédiaire d'une buse de projection (23) de billes (22) parfaitement sphériques. La buse (23) est montée dans une enceinte (20) dont les parois permettent le ricochet des billes, sur un axe de rotation (230) pour pouvoir pivoter selon les directions A, B, de manière à pouvoir balayer, à partir d'un emplacement déterminé de l'axe de rotation (230), toute la surface à traiter. De plus, l'axe de la buse est monté sur un ensemble mobile en translation dans trois directions (C, D, G) parallèlement à la surface à traiter. Ainsi, dans leur mouvement, les billes (22) vont venir frapper chaque élément de surface de la pièce (10), un grand nombre de fois, selon des directions d'incidence différentes et variées, en créant à chaque impact une déformation plastique des grains constitués d'un agglomérat de molécules de la matière ou de l'alliage, ayant un sens quelconque. La pièce (10) est maintenue en position, par des moyens (21) de préhension bloquant la pièce (10) en translation et en rotation et permettant le réglage de la distance de la pièce par rapport à la source d'émission des projectiles. De même, l'enceinte comporte des moyens de récupération et de recyclage rapides des billes vers la buse (23) pour que seulement une quantité déterminée de billes soit utilisée dans l'enceinte de l'appareil. Ces moyens sont, par exemple, constitués par une forme de l'enceinte, par exemple en cuvette conique ou hémisphérique favorisant la récupération par gravité des billes et un orifice (200) situé dans cette zone pour conduire, par un système flexible (240), les billes vers la buse (23). Dans un autre type de disposition, la buse peut être fixe, la pièce est mise en mouvement similaire. Dans l'enceinte acoustique (25) rendue étanche sont disposés des moyens (26) de diffusion ou vaporisation permettant la réalisation d'un ou plusieurs des traitements chimiques ou thermochimiques décrits ci-après, éventuellement associés à des moyens de chauffage de l'enceinte ou de la pièce Chaque dispositif de génération de nanostructures est formé de façon non étanche pour les traitements chimiques par diffusion ou vaporisation ou autre. Ainsi le bol (20) peut être pourvu de canaux (28) de circulation des fluides, ou un espace (27) peut être ménagé entre la pièce à traiter ou son support et le bol (22).
La génération de nanostructures sur la surface traitée de la pièce provoque une modification de la loi de diffusion dans la zone traitée. En effet, la multiplication des grains de métal multiplie également le nombre de frontières entre les grains. Ces frontières constituent alors autant de canaux nanométriques permettant la diffusion de composés chimiques ayant une taille de l'ordre de quelques atomes. Ainsi, ces composés peuvent pénétrer plus profondément et de façon plus importante dans la surface traitée de la pièce, ce qui permet d'obtenir des propriétés mécaniques, physiques ou chimiques intéressantes.
Ainsi, tous les procédés de traitement de surface mettant en jeu la diffusion de composés dans la surface d'une pièce métallique sont modifiés lorsque la pièce a préalablement subi le procédé de génération de nanostructures selon l'invention ou subi en même temps le procédé de génération de nanostructures.
A titre d'exemple, les figures 5A et 5B représentent la courbe représentant le taux et la pénétration de l'azote lors d'une nitruration ionique pour une température de 550°C et 350°C. La courbe représentée à la figure 5A correspond à la mesure du taux d'azote en fonction de l'épaisseur de la surface traitée, lorsque la pièce a subi une nitruration pendant deux heures à une température de 550°C. La courbe en trait plein correspond à la mesure réalisée pour une surface préalablement traitée selon le procédé de génération de nanostructures selon l'invention. Le traitement de génération de nanostructures de la surface a permis d'obtenir une nanostructure sur une épaisseur d'environ 20μm. La courbe en trait mixte correspond à la mesure réalisée pour une surface non traitée par génération de nanostructures. On constate sur la courbe en trait mixte que selon l'art antérieur, le taux d'azote ayant pénétré pour le traitement par nitruration à 550°C, est uniforme dans l'épaisseur de la pièce et égal à 5%. Pour la pièce préalablement traitée par génération de nanostructures selon l'invention, le taux d'azote, dans les mêmes conditions opératoires, est cinq fois supérieur au taux de la pièce non traitée, dans l'épaisseur dans laquelle les nanostructures se sont formées. Ensuite, dans l'épaisseur de la pièce ne comprenant plus de nanostructures, le taux d'azote décroît rapidement jusqu'à un taux correspondant au taux obtenu selon le procédé de nitruration de l'art antérieur. Ce traitement permet d'obtenir des microstructures de matériau plus favorable vis à vis de la fatigue, fatigue par petit débattement (fretting fatigue) et fatigue de contact. La courbe représentée à la figure 5B correspond à la mesure du taux d'azote en fonction de l'épaisseur de la surface traitée, lorsque la pièce a subi une nitruration pendant deux heures à une température de 350°C. La courbe en trait plein correspond à la mesure réalisée pour une surface préalablement traitée selon le procédé de génération de nanostructures selon l'invention. La courbe en trait mixte correspond à la mesure réalisée pour une surface non traitée par génération de nanostructures. Le traitement de génération de nanostructures de la surface a permis d'obtenir une nanostructure sur une épaisseur de 20μm. On constate que selon l'art antérieur, le taux d'azote est uniforme dans l'épaisseur de la pièce et égal à 1 %. Ce taux très trop faible pour modifier de façon satisfaisante les propriétés mécaniques de la surface de la pièce.
Pour la pièce préalablement traitée par génération de nanostructures selon l'invention, le taux d'azote est 17 fois supérieur au taux de la pièce non traitée à la surface. Ensuite, le taux d'azote décroît lentement dans l'épaisseur de la pièce comprenant la nanostructure, pour finir par être égal au taux obtenu selon le procédé de nitruration de l'art antérieur lorsque la couche de la pièce ne comprend plus de nanostructures.
Il faut noter que le procédé de nitruration selon l'art antérieur ne se réalise qu'à partir d'une certaine température, voisine par exemple de 550°C, pour une pièce de fer pur. On constate donc que le traitement préalable de la pièce permet, non seulement d'obtenir une bonne structure à la surface d'une pièce, mais permet également d'abaisser la température de traitement en conservant, dans le cas du traitement à 350°C, un taux d'azote supérieur au taux obtenu sans traitement par génération de nanostructures selon l'invention.
Ainsi, compte tenu de l'abaissement de la température de traitement, il devient alors possible de réaliser une nitruration sur des pièces qui, selon l'art antérieur, ne pouvaient pas subir de nitruration. En effet, la nitruration doit être réalisée à une température d'environ 550°C, or à cette température une pièce métallique subit nécessairement des déformations. Pour des pièces dont la précision géométrique est primordiale, de telles déformations ne sont pas admissibles, ce qui interdit par conséquent une nitruration selon le procédé de l'art antérieur. En réalisant, préalablement à la nitruration, le procédé de génération de nanostructures selon l'invention, il est donc possible d'abaisser la température de traitement et donc de diminuer ou supprimer les déformations de la pièce. Par conséquent, des pièces de précision peuvent subir une nitruration, ce qui était impossible selon l'art antérieur. De même, le traitement préalable selon le procédé de génération de nanostructures de l'invention permet également de diminuer la durée du traitement. En effet, la présence de nanostructures et en particulier des canaux de diffusion nanométriques, permet une diffusion plus rapide des composés dans la couche superficielle de la pièce. Ce qui vient d'être exposé pour la nitruration est également vrai pour tout traitement de surface ou procédé physico-chimique de surface dépendant de la loi de diffusion dans la couche superficielle d'une pièce. Ainsi, les procédés de cémentation, de carbonitruration, d'implémentation ionique, de catalyse ou de stockage d'ions dans une structure métallique sont modifiés lorsque la pièce subit préalablement le procédé de génération de nanostructures selon l'invention, c'est-à-dire lorsqu'elle comprend une couche de microstructures nanométriques sur une épaisseur d'une dizaine ou de quelques dizaines de microns.
Selon une variante de réalisation, représentée à la figure 2, la surface à traiter peut être mise sous contrainte mécanique, par exemple en bridant la pièce (10) avec des moyens (21) de préhension appropriés. Ces moyens de préhension sont, par exemple, constitués par une semelle (21.2) sur laquelle sont montées des brides de serrage (21.1) pour serrer la pièce contre une cale protectrice (21.3) interposée entre la pièce (10) et la semelle (21.2). Une tige (21.4) traversant la semelle (21.2) et la cale (21.3) applique un effort sur la pièce (10) retenue par les brides (21.1 ). L'effort de pression peut être obtenu en filetant la tige 21.4 et en la vissant dans un trou taraudé (21.21 ) formé dans la semelle (21 .2).
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits mais englobe tout mode permettant d'appliquer des contraintes mécaniques en un ou plusieurs endroits d'une pièce. Ainsi plusieurs tiges peuvent être prévues pour appliquer des contraintes différentes en plusieurs endroits pour obtenir des épaisseurs différentes de nanostructures, proportionnelles à la valeur des contraintes appliquées aux points respectifs.
Dans le mode de réalisation du dispositif de mise sous contrainte représenté à la figure 3A, des moyens de traction sur chacune des extrémités de la pièce permettent de mettre celle-ci sous contrainte. Ces moyens sont constitués, par exemple, par un plateau supérieur (31 ) et un plateau inférieur (32) maintenus écartés d'une distance réglable par trois tirants à vis (33) disposés à 120° et sollicitant en traction les extrémités de la pièce rendue solidaire de chaque plateau. La pièce peut, par exemple, traverser chaque plateau par des orifices et venir s'appuyer contre la surface de chaque plateau tournée vers l'extérieur au moyen de bagues formant des epaulements et rendues solidaires des extrémités de la pièce par une vis de blocage transversale à la bague. Les plateaux, notamment celui (32) orienté vers la zone d'émission des projectiles, sont pourvus, comme représenté figure 3B, d'évidements permettant la circulation et la projection des billes. La figure 4 représente un schéma d'un autre dispositif de génération de nanostructures par ultrasons utilisable pour la réalisation de l'invention et éventuellement avec le dispositif de mise sous contrainte représentés à la figure 2 . Le dispositif à ultrasons de la figure 4 peut également être utilisé avec le dispositif de la figure 3. Dans cette variante de réalisation, la sonotrode (24) est rendue solidaire d'un bol (20) dont l'orifice supérieur est obturé par un dispositif (21), par exemple du type de la figure 2, de mise sous contrainte de la pièce (10) à traiter. Le dispositif (21 ) est monté par rapport au bol (20) sur des moyens permettant le réglage de la distance entre la face exposée au bombardement et le fond du bol (201 ) qui constitue la surface d'émission des billes (22). Le principe de mise en mouvement des billes par ultrasons est de mettre les billes (22) en mouvement, par l'intermédiaire d'un générateur (24) ultrasonique fonctionnant à une fréquence déterminée, lequel communique un mouvement d'amplitude et de vitesse déterminée au bol (20). L'amplitude du mouvement de la sonotrode pourra être choisie de quelques microns à quelques centaines de microns. Les billes (22) tirent leur énergie du mouvement du bol et vont venir frapper la surface de la pièce (10) un grand nombre de fois, selon des angles incidents variables et multiples, en créant à chaque impact une déformation plastique des grains constitués d'un agglomérat de molécules de la matière ou de l'alliage, ayant un sens quelconque. La bille ayant perdu son énergie au contact de la pièce, retombe sur les parois du bol pour acquérir une nouvelle vitesse selon une direction qui, vue de la pièce, semble aléatoire mais est déterminée par les lois physiques. Dans une autre variante de réalisation, la contrainte appliquée peut être thermique. Ainsi, la surface à traiter est chauffée, soit en totalité pour obtenir une épaisseur uniforme de structures nanocristallines sur toute la surface de la pièce soumise au bombardement de billes, soit localement pour obtenir des variations d'épaisseur de structures nanocristallines. Dans ce cas, des moyens de chauffage par radiation, conduction ou convection sont installés dans le bol ou sur la pièce ou dans l'enceinte accoustique de la machine.
De plus, il est possible de combiner la contrainte mécanique et le chauffage de la surface à traiter pour obtenir le résultat souhaité. Le but de la mise sous contrainte et/ou de l'élévation de température est de permettre plus facilement la génération de la déformation plastique, en sous-couche et dans toutes les directions, pour favoriser le fractionnement des grains de matière situés en profondeur.
Les essais actuellement réalisés en bombardant une pièce non mise sous contrainte ont permis de réaliser des couches de nanostructure allant jusqu'à 20μm, avec mise sous contrainte on obtient des nanostructures sur une épaisseur de plusieurs centaines de microns et plus. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de nanostructures peut être réalisée en cherchant un compromis entre la valeur de la contrainte et l'élévation de température. De même, le choix des différents paramètres impliqués dans le procédé de génération de nanostructures est important.
Ainsi, les expériences ont montré que plus les billes utilisées ont un diamètre important, dans une plage de dimension de l'ordre de quelques centaines de microns à quelques millimètres, plus la couche de nanostructures obtenue est importante. De même, la durée de traitement intervient pour déterminer l'épaisseur de la nanostructure. Il a été constaté, que jusqu'à une valeur déterminée de durée différente en fonction de la taille des billes, plus la durée augmente plus l'épaisseur de la couche de nanostructures augmente jusqu'à une durée correspondant à la saturation et ne permettant plus de modifier l'épaisseur de la couche. Cette valeur déterminée est obtenue, soit par l'expérience, soit par un modèle mathématique pour un matériau donné. Cependant, lorsque la durée devient plus importante que la valeur déterminée, l'épaisseur de la couche de nanostructure diminue. Ce phénomène est dû au fait que l'impact des billes sur la surface à traiter génère un dégagement de chaleur qui échauffe le matériau. Or, à partir d'un certain seuil, la chaleur a pour conséquence d'augmenter la taille des grains de métal.
Le principe général pour choisir les paramètres du procédé de génération de nanostructures selon l'invention est que, plus l'énergie cinétique des billes est importante, plus le niveau de contrainte générée dans la sous couche est importante. La limite supérieure de l'énergie cinétique est définie, notamment par échauffement entraîné par la libération de cette énergie cinétique lors de l'impact sur la surface à traiter et par la résistance mécanique des billes et du matériau constituant la pièce. Cet inconvénient peut être amenuisé ou supprimé en refroidissant l'enceinte ou la pièce avec un système de refroidissement. En effet, comme expliqué précédemment, l'élévation de température tend à faire grossir les grains de métal, et le matériau ne doit pas se fissurer. D'autres paramètres peuvent être pris en compte pour obtenir des couches de nanostructures plus importantes ou pour diminuer la durée de traitement. A titre d'exemple, la dureté des billes joue un rôle, notamment dans le transfert de l'énergie cinétique de la bille à la surface de la pièce. De même, lorsque l'on utilise un générateur à ultrasons pour mettre en mouvement les billes, la pression acoustique générée par les ondes sonores influence également le processus de génération de la nanostructure. De même, selon l'invention, le génération de nanostructures par ultrasons ou le la projection des jets de billes peuvent être réalisés dans un milieu contenant un gaz spécifique déterminé modifiant le comportement mécanique ou la composition chimique chimique de la surface du matériau lors des chocs des billes.
A titre d'exemple, pour obtenir une couche de nanostructures d'environ 20μm, il faut exposer la surface à traiter à une génération de nanostructures par ultrasons pendant 2 à 3 minutes avec des billes de 3mm de diamètre. De même, pour obtenir une couche de nanostructures d'environ 10μm, il faut exposer la surface à traiter à une génération de nanostructures par ultrasons pendant environ 400s avec des billes de 300μm de diamètre. De même, l'expérience a montré que la durée de traitement pour la génération de nanostructures dans les alliages ou matériaux métalliques courants est comprise entre 50 et 1300s et que le diamètre des billes utilisées est compris entre 300μm et 3mm. Le temps total nécessaire peut être prolongé ou réduit en fonction du matériau. En fait pour une taille de billes déterminée et un matériau déterminé, la durée de génération de nanostructures est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur. Ainsi, le procédé de génération de nanostructures selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comprend : une étape de projection sur la surface de la pièce (10) à traiter, pendant une durée déterminée, à une vitesse déterminée et sous des incidences variables au même point d'impact, d'une quantité déterminée de billes (22) parfaitement sphériquess de dimensions déterminées et réutilisées en permanence pendant la projection ; réitération de l'étape précédente avec déplacement du point d'impact de façon que l'ensemble des points d'impact couvrent la totalité de la surface à traiter de la pièce ; - une étape de traitement chimique pendant au moins une partie du temps de génération des nanostructures.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement est une nitruration comprenant une mise sous atmosphère d'azote de la pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 minutes et 10 heures.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement comporte une cémentation dans la structure métallique de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement comporte une carbonitruration. Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement comporte une implémentation ionique.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement comporte un traitement thermo-chimique dont la diffusion joue un rôle actif.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de projection s'effectue après avoir rempli de gaz inerte l'enceinte dans laquelle est placé le dispositif de génération de nanostructures. Dans un autre mode de réalisation, l'étape de projection s'effectue après avoir rempli de gaz chimiquement actif l'enceinte.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé de génération comporte une étape de mise sous contrainte mécanique et/ou thermique de la pièce (10) métallique à traiter. Dans un autre mode de réalisation, l'étape de projection des billes (22) est réalisée par l'intermédiaire d'un générateur (20) ultrasonique dont les ondes sonores provoquent le mouvement des billes (22) avec des directions aléatoires.
Dans un autre mode de réalisation, le diamètre des billes (22) parfaitement sphériques est compris entre 300μm et 3mm en fonction de l'épaisseur souhaitée de la couche de nanostructures d'un utilisateur.
Dans un autre mode de réalisation, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10), la durée de projection est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur. Dans un autre mode de réalisation, la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s.
Dans un autre mode de réalisation, le traitement s'effectue à des températures basses inférieures à la température ambiante.
Enfin, le dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique comprenant des moyens de mise en mouvement à une vitesse déterminée de billes (22) de dimensions déterminées se caractérise en ce que les billes (22) utilisées sont parfaitement sphériques et que les moyens de mise en mouvement avec une vitesse déterminée comportent des moyens d'obtention d'angles d'incidence variables pour le même point d'impact, des moyens de réutilisation des billes (22) et des moyens (26) de diffusion d'un composé chimique dans une enceinte étanche (25). Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de génération comprend des moyens de mise sous contrainte de la pièce (10) métallique et/ou des moyens de chauffage de la pièce (10).
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de mise en mouvement des billes (22) comprennent un générateur (20) ultrasonique provoquant le mouvement des billes (22) avec des directions aléatoires, les moyens de réutilisation des billes (22) étant constitués par l'enceinte du générateur ultrasonique.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de génération de nanostructures comporte des moyens de réglage de la distance (d) entre la source d'émission des billes et la pièce à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm.
Dans un autre mode de réalisation, la distance est de préférence de l'ordre de 4 à 5 mm. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de génération de nanostructures comporte des moyens de réglage de la durée d'émission des billes et de leur vitesse.
Dans un autre mode de réalisation, les billes sont d'une quantité telle qu'elles occupent, lorsque les moyens de mise en mouvement par ultrasons sont inactifs, une surface supérieure à 30% de la surface de la sonotrode.
Dans un autre mode de réalisation, la vitesse est comprise entre 5 et 100m/s. Dans un autre mode de réalisation, la vitesse est de l'ordre de 5 à
30m/s.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de mise en mouvement des billes (22) comprennent des moyens de projection d'un jet de billes (22) avec un angle d'incidence des billes (22) par rapport à la surface de la pièce (10), variable en fonction du temps et des moyens de produire un déplacement relatif parallèlement à la pièce du moyen de projection lorsque plusieurs angles d'incidence ont été produits sur un même point d'impact.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de génération de nanostructures comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif est enfermé dans une enceinte d'isolation acoustique (25).
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1 Procédé de génération de nanostructures pour obtenir sur une zone de la surface d'une pièce (10) métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définie caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de projection sur un point d'impact de la zone de surface de la pièce (10) à traiter, pendant une durée déterminée, à une vitesse déterminée, d'une distance déterminée et sous des incidences variables au même point d'impact, d'une quantité déterminée de billes (22) parfaitement sphériques, de dimensions déterminées et réutilisées en permanence pendant la projection, - réitération de l'étape précédente avec déplacement du point d'impact de façon que l'ensemble des points d'impact couvrent la totalité de la surface à traiter de la pièce
- une étape de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de l'étape de mise en œuvre du procédé de génération de nanostructures
2. Procédé de traitement de surface selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de traitement est une nitruration comprenant une mise sous atmosphère d'azote de la pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 minutes et 10 heures.
3. Procédé de traitement de surface selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape de traitement comporte une cémentation dans la structure métallique de la pièce.
4. Procédé de traitement de surface selon la revendication 1 ou 2 ou 3 caractérisé en ce que l'étape de traitement comporte une carbonitruration.
5. Procédé de traitement de surface selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'étape de traitement comporte une implémentation ionique.
6. Procédé de traitement selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un traitement thermo-chimique dont la diffusion joue un rôle actif.
7. Procédé de traitement de surface selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape de projection s'effectue après avoir rempli de gaz inerte l'enceinte dans laquelle est placé le dispositif de génération de nanostructures.
8. Procédé de traitement de surface selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape de projection s'effectue après avoir rempli de gaz chimiquement actif l'enceinte.
9. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mise sous contrainte mécanique et/ou thermique de la pièce (10) métallique à traiter.
10. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de projection des billes (22) est réalisée par l'intermédiaire d'un générateur (20) ultrasonique dont les ondes sonores provoquent le mouvement des billes (22) avec des directions aléatoires.
11. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diamètre des billes (22) parfaitement sphériques est compris entre 300μm et 3mm en fonction de l'épaisseur souhaitée de la couche de nanostructures.
12. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10), la durée de projection est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructure souhaitée par l'utilisateur.
13. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la durée de projection des billes (22) est comprise entre 50 et 1300s.
14. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le traitement s'effectue à des températures basses inférieures à la température ambiante.
15. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique comprenant des moyens de mise en mouvement à une vitesse déterminée de billes (22) de dimensions déterminées caractérisé en ce que les billes (22) utilisées sont parfaitement sphériques et que les moyens de mise en mouvement avec une vitesse déterminée comportent des moyens d'obtention d'angles d'incidence variables pour le même point d'impact, des moyens de réutilisation des billes (22) et des moyens (26) de diffusion d'un composé chimique dans une enceinte étanche (25).
16. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise sous contrainte de la pièce (10) métallique et/ou des moyens de chauffage de la pièce (10).
17. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement des billes (22) comprennent un générateur (20) ultrasonique provoquant le mouvement des billes (22) avec des directions aléatoires, les moyens de réutilisation des billes (22) étant constitués par l'enceinte du générateur ultrasonique.
18. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la distance (d) entre la source d'émission des billes et la pièce à traiter.
19. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 18, caractérisé en ce que la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm.
20. Dispositif de génération de nanostructures d'une pièce (10) métallique selon la revendication 19, caractérisé en ce que la distance est de préférence de l'ordre de 4 à 5 mm.
21. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu 'il comporte des moyens de réglage de la durée d'émission des billes et de leur vitesse.
22. Dispositif de génération de nanostructures d'une pièce (10) métallique selon la revendication 15 ou 17, caractérisé en ce que les billes sont d'une quantité telle qu'elles occupent, lorsque les moyens de mise en mouvement par ultrasons sont inactifs, une surface supérieure à 30% de la surface de la sonotrode d'un générateur (20) ultrasonique.
23. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que la vitesse est comprise entre 5 et 100m/s.
24. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication précédente de dispositif, caractérisé en ce que la vitesse est de l'ordre de 5 à 30m/s.
25. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement des billes (22) comprennent des moyens de projection d'un jet de billes (22) avec un angle d'incidence des billes
(22) par rapport à la surface de la pièce (10), variable en fonction du temps et des moyens de produire un déplacement relatif parallèlement à la pièce du moyen de projection lorsque plusieurs angles d'incidence ont été produits sur un même point d'impact.
26. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
27. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s
28. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que le dispositif est enfermé dans une enceinte d'isolation acoustique (25).
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