EP1307598B1 - Procede et dispositif de generation de nanostructures - Google Patents

Procede et dispositif de generation de nanostructures Download PDF

Info

Publication number
EP1307598B1
EP1307598B1 EP01960844A EP01960844A EP1307598B1 EP 1307598 B1 EP1307598 B1 EP 1307598B1 EP 01960844 A EP01960844 A EP 01960844A EP 01960844 A EP01960844 A EP 01960844A EP 1307598 B1 EP1307598 B1 EP 1307598B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balls
given
nanostructures
metal part
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01960844A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1307598A1 (fr
Inventor
Jian c/o Université de Technologie de Troyes LU
Ke c/o The Institute of Metal Research LU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Metal Research of CAS
Universite de Technologie de Troyes
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Universite de Technologie de Troyes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Metal Research of CAS, Universite de Technologie de Troyes filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Publication of EP1307598A1 publication Critical patent/EP1307598A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1307598B1 publication Critical patent/EP1307598B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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 the treatment of nanostructures on metal parts and a device for the treatment of nanostructures.
  • Nanocrystalline materials are characterized by ultra fine grains typically less than 100 nm in at least one dimension. These materials produced by known processes such as, for example, IGC (inert gas condensation and consolidation) by condensation and consolidation in a gas inert, SPD (severe plastic deformation) intense plastic deformation, etc ... These methods have the disadvantage of generating materials that are not without porosity, contamination and of sufficient size for industrial applications.
  • the object of the invention is to create on the surface of the material a layer of this same material with grains of component of a few tens of nanometers forming what is commonly called a layer of nanoscale microstructures or nanostructures.
  • TaO N.R. et al “Surface nanocrystallization of iron induced by ultrasonic shot peening, NanoStructured Materials, Elsevier Sciences Ltd, 11, 4, June 1999, also describes a method of curing, by ultrasound of metal parts. of the balls are projected with displacement of the point of impact so as to cover the entire surface to be treated. In this type of process, the material obtained has a nanocrystalline structure whose thickness is not controlled.
  • the present invention therefore aims to overcome the disadvantages of the prior art by proposing a method for treating nanostructures to obtain in a defined area of a workpiece, properties physicochemicals that can not be obtained in the usual processes.
  • This goal is obtained by the process of generating nanostructures for to obtain on a zone of the surface of a metal part a layer of nanostructures of defined thickness, the process comprising the steps given in claim 1.
  • Another object of the invention is to propose a device for treatment of nanostructures making it possible to obtain properties on a part determined physicochemicals.
  • the principle of the invention is to perform a surface treatment of a metal part to modify the mechanical characteristics of the metal part, benefiting from the modification of the diffusion properties in the surface layer of the treated surface.
  • the mechanical properties of the microstructures nanoscale or nanostructure are well known. Indeed, the bigger the size metal grains is weak, the greater the mechanical strength of the piece is big.
  • current research aims to develop processes for making it possible to obtain parts consisting solely of nanostructures.
  • the object of the invention is quite different, it consists of via a method for generating nanostructures (described in later) to make a surface layer of nanostructures giving the whole 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 piece.
  • the size of the grains of metal from the surface of the room.
  • the grains have a dimension of the order of 100 .mu.m.
  • the grain size is only of the order of a few tens of nanometers. To reduce the size of grains on an entire surface, one must create on the surface of the material a plastic deformation in all directions and randomly.
  • FIG. 1 represents a diagram of a device for generating nanostructures by bombardment in an acoustic insulation enclosure (25).
  • a method of generating ultrasonic nanostructures or compressed air is already known.
  • the results obtained with this method are not sufficient in many case. Indeed, one obtains nanostructures on a very small thickness of the piece that is of the order of one micron.
  • the principle of generation of nanostructures by bombardment according to Figure 1 is to put the balls (22) in motion, via a projection nozzle (23) of balls (22) perfectly spherical.
  • 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 rotate in directions A, B so that it can be scanned from a determined location of the axis of rotation (230), the entire surface to be treated.
  • the axis of the nozzle is mounted on a movable assembly in translation in three directions (C, D, G) parallel to the surface to be treated. So, in their movement, the balls (22) will strike each surface element of the piece (10), a large number of times, according to different incidence directions and varied, creating at each impact a plastic deformation of the grains consisting of an agglomerate of molecules of the material or alloy, having a any sense.
  • the workpiece (10) is held in position by means (21) gripping device blocking the part (10) in translation and in rotation and allowing the adjustment of the distance of the part from the source of emission of projectiles.
  • the enclosure includes means of recovery and fast recycling of the balls towards the nozzle (23) so that only a quantity determined of balls is used in the enclosure of the apparatus.
  • These means are, for example, constituted by a shape of the enclosure, for example in a bowl conical or hemispherical, favoring the gravity recovery of the balls and a orifice (200) located in this zone for driving, by a flexible system (240), the balls towards the nozzle (23).
  • the nozzle may be fixed, the piece is set in motion similar.
  • acoustic enclosure (25) sealed are provided means (26) of diffusion or vaporization allowing the realization of one or more chemical treatments or thermochemicals described below, possibly associated with means of heating the enclosure or room
  • Each device generating nanostructures is formed in an unsealed manner for chemical treatments by diffusion or vaporization or other.
  • the bowl (20) can be provided with channels (28) for fluid circulation, or a space (27) can be provided between the workpiece or its support and the bowl (22).
  • nanostructures on the treated surface of the room causes a modification of the diffusion law in the treated area. Indeed, the multiplication of metal grains also multiplies the number of boundaries between the grains. These borders then constitute as many channels nanoscale for the diffusion of chemical compounds having a size of the order of a few atoms. So, these compounds can penetrate more deeply and more importantly in the treated surface of the room, this which makes it possible to obtain mechanical, physical or chemical properties interesting.
  • FIGS. 5A and 5B show the curve representing the rate and 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 surface treated, when the part has undergone nitriding for two hours at a temperature of 550 ° C.
  • the curve in solid line corresponds to the measurement carried out for a previously treated surface according to the method of generating nanostructures according to the invention.
  • the nanostructure generation process of the surface made it possible to obtain a nanostructure over a thickness of about 20 .mu.m.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement made for a surface not treated by generation of nanostructures.
  • the level of nitrogen having penetrated for the nitriding treatment at 550 ° C is uniform in the thickness of the piece and equal to 5%.
  • the nitrogen content is five times the rate of the untreated piece, in the thickness in which nanostructures have formed. Then, in the thickness of the piece no longer includes nanostructures, the nitrogen rate decreases rapidly up 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 material more favorable towards fatigue, fatigue by small deflection (fretting fatigue) and contact fatigue.
  • the curve shown in Figure 5B corresponds to the rate measurement of nitrogen depending on 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 line corresponds to the measurement made for a surface previously treated according to the method of generating nanostructures according to the invention.
  • the mixed line curve corresponds to the measurement made for a surface not processed by generation of nanostructures.
  • the generation treatment of nanostructures of the surface allowed to obtain a nanostructure on a thickness of 20 ⁇ m. It can be seen that according to the prior art, the nitrogen content is uniform in the thickness of the room and equal to 1%. This rate is too low for satisfactorily modify the mechanical properties of the surface of the room.
  • the nitrogen content is 17 times higher than the rate of the non treated on the surface. Then, the nitrogen content decreases slowly in the thickness of the part comprising the nanostructure, to end up being equal to the rate obtained according to the nitriding method of the prior art when the layer of the piece does not includes more nanostructures.
  • the nitriding process according to the prior art does not realizes that from a certain temperature, for example around 550 ° C, for a piece of pure iron. It can therefore be seen that the prior treatment of the piece allows, not only to obtain a good structure on the surface of a room, but also allows to lower the processing temperature by retaining, in the case of treatment at 350 ° C, a nitrogen level greater than rate obtained without treatment by generation of nanostructures according to the invention.
  • the pretreatment according to the method of generating nanostructures of the invention also makes it possible to reduce the duration of the treatment. Indeed, the presence of nanostructures and in particular the canals nano-diffusion, allows faster diffusion of compounds in the superficial layer of the room.
  • the surface to be treat can be put under mechanical stress, for example by clamping the piece (10) with suitable gripping means (21).
  • suitable gripping means (21) are, for example, constituted by a sole (21.2) on which clamps (21.1) are mounted to clamp the workpiece against a shim protector (21.3) interposed between the workpiece (10) and the sole (21.2).
  • a rod (21.4) passing through the sole (21.2) and the shim (21.3) applies a force on the piece (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 of applying mechanical stresses into one or several places in a room.
  • several rods can be provided for apply different constraints in several places to obtain different thicknesses of nanostructures, proportional to the value of constraints applied to the respective points.
  • traction means on each of the ends of the piece can put it under stress.
  • These means are constituted, for example, by an upper plate (31) and a lower plate (32) held apart by a distance adjustable by means of three tie rods (33) arranged at 120 ° and urging the ends of the rendered part solidary of each tray.
  • the piece can, for example, cross every plate by holes and come to rest against the surface of each plate turned outwards by means of rings forming shoulders and made integral with the ends of the part by a locking screw transverse to the ring.
  • the trays, in particular that (32) oriented towards the zone emission of projectiles, are provided, as shown in FIG. 3B, recesses allowing the circulation and projection of the balls.
  • FIG. 4 represents a diagram of another device for generating ultrasonic nanostructures that can be used for carrying out the invention and possibly with the stressing device shown in FIG. 2.
  • the ultrasound device of FIG. 4 can also be used with the Fig. 3.
  • the sonotrode (24) is secured to a bowl (20) whose upper orifice is closed by a device (21), for example of the type of FIG. 2, placing the workpiece under stress (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 emission surface of the balls (22).
  • the principle of moving the beads by ultrasound is to put the balls (22) in motion, via an ultrasonic generator (24) operating at a specified frequency, which communicates a movement of amplitude and speed determined 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 come strike the surface of the workpiece (10) a large number of times, according to angles variable and multiple incidents, creating at each impact a deformation plastic grains consisting of an agglomerate of molecules of matter or of the alloy, having any meaning.
  • the ball having lost its energy at contact of the coin falls back on the walls of the bowl to acquire a new speed in a direction which, seen from the room, seems random but is determined by the physical laws.
  • the applied stress can be thermal.
  • the surface to be treated is heated, either completely to obtain a uniform thickness of nanocrystalline structures all over the surface of the piece subjected to the bombardment of logs, either locally to obtain thickness variations of nanocrystalline structures.
  • means Radiation, conduction or convection heating are installed in the bowl or on the room or in the acoustic enclosure of the machine.
  • the general principle for choosing the process parameters of generation of nanostructures according to the invention is that, the higher the kinetic energy ball is important, the higher the level of stress generated in the sub layer is important.
  • the upper limit of the kinetic energy is defined, especially by the heating caused by the release of this energy kinetics during the impact on the surface to be treated and by the mechanical resistance balls and the material constituting the part. This disadvantage can be narrowed or removed by cooling the enclosure or room with a system cooling. Indeed, as explained above, the elevation of temperature tends to enlarge the grains of metal, and the material should not crack.
  • the hardness of the balls plays a role, particularly in the transfer of the kinetic energy of the ball to the surface of the piece.
  • the sound pressure generated by the sound waves influence also the process of generating the nanostructure.
  • the generation of ultrasonic nanostructures or the projection of Beads can be made in a medium containing a specific gas determined to modify the mechanical behavior or the chemical composition the surface of the material during shocks of the balls.
  • the processing time for the generation of nanostructures in alloys or common metallic materials is between 50 and 1300s and that the diameter of the balls used is included between 300 ⁇ m and 3mm. The total time required may be extended or reduced by function of the material. In fact for a determined bead size and a material determined, the generation time of nanostructures is determined according to the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the processing step is a nitriding comprising a nitrogen atmosphere of the piece (10) to to treat, at a specified temperature of between 350 and 550 ° C, during a fixed period of between 30 minutes and 10 hours.
  • the processing step includes a carburizing in the metal structure of the room.
  • the processing step includes a carbonitriding.
  • the processing step includes a ionic implementation.
  • the processing step includes a thermo-chemical treatment whose diffusion plays an active role.
  • the projection step is carried out after filling with inert gas the enclosure in which is placed the device of generation of nanostructures.
  • the projection step is carried out after filling the enclosure with chemically active gas.
  • the generation method comprises a step of placing under mechanical and / or thermal stress of the part (10) metal to be treated.
  • the step of projecting the balls (22) is performed by means of an ultrasonic generator (20) whose waves sound causes the balls (22) to move with random directions.
  • the diameter of the balls (22) perfectly spherical is between 300 ⁇ m and 3mm depending on the desired thickness of the layer of nanostructures of a user.
  • the duration of projection is determined according to the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the projection duration of the balls (22) is between 30 and 1300s.
  • the treatment is carried out at low temperatures below room temperature.
  • the device for generating nanostructures over a thickness of a metal part (10) comprising means for setting movement at a given speed of balls (22) of determined dimensions 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) diffusion of 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 workpiece (10).
  • the means for setting in motion balls (22) comprise an ultrasonic generator (20) causing the movement of the balls (22) with random directions, the means of reuse of the balls (22) being constituted by the generator enclosure ultrasonic.
  • the device for generating nanostructures comprises means for adjusting the distance (d) between the source of emission of the balls and the part to be treated.
  • the distance is of the order of 4 to 40 mm.
  • the distance is preferably the order of 4 to 5 mm.
  • the device for generating nanostructures comprises means for adjusting the emission duration of the balls and their speed.
  • the beads are of such an amount they occupy, when the means of movement in ultrasound are inactive, an area greater than 30% of the surface of the sonotrode.
  • the speed is between 5 and 100m / s.
  • the speed is of the order of 5 to 30m / s.
  • the means for setting in motion balls (22) comprise means for projecting a jet of balls (22) with an angle of incidence of the balls (22) with respect to the surface of the piece (10), variable as a function of time and means to produce a displacement relative to the part of the projection means when several angles impact were produced on the same point of impact.
  • the device for generating nanostructures includes means to perform local cooling of the treated area of the room.
  • the projection duration of the balls (22) is between 30 and 1300s
  • the device is enclosed in a acoustic insulation enclosure (25).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

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.
Le document de TaO N.R. et al "Surface nanocrystallisation of iron induced by ultrasonic shot peening", NanoStructured Materials, Elsevier Sciences Ltd, vol. 11, nº 4, juin 1999, décrit également un procédé de durcissement, par ultrason de pièces métalliques. Des billes sont projetées avec déplacement du point d'impact de façon à couvrir l'ensemble de la surface à traiter. Dans ce type de procédé, le matériau obtenu a une structure nanocristalline dont l'épaisseur n'est pas contrôlée.
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, le procédé comprenant les étapes données dans la revendication 1.
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, tel que défini à la revendication 16.
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 nanomètres. 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 au moins en partie 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 décroít 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 décroít 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 épaulements 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.
Selon l'invention, 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 l'échauffement entraíné 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 (29)

  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, le procédé comprenant :- une étape de mise en mouvement ou projection vers 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, de façon à générer une couche de nanostructure,
    une étape de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures avec élévation ou abaissement de température, l'étape de traitement étant effectuée au moins pendant ladite étape de projection des billes et dans une enceinte contenant un gaz de diffusion inerte ou chimiquement actif.
  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 1ou 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 pour le contrôle de l'épaisseur de structures nanocristallines.
  10. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de mise sous contrainte thermique peut être locale, pour modifier les caractéristiques surfaciques de la pièce (10) métallique à traiter.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le traitement s'effectue à des températures basses inférieures à la température ambiante.
  16. Dispositif de génération de nanostructures pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant dans une enceinte étanche (25) des moyens de mise en mouvement à une vitesse déterminée de billes (22) de dimensions déterminées et parfaitement sphériques, lesdits moyens de mise en mouvement comportant des moyens d'obtention d'angles d'incidence variables pour le même point d'impact, des moyens de récupération et de réintroduction (200, 240) des billes (22) dans l'enceinte étanche (25), des moyens (26) de diffusion gazeuse d'un composé chimique dans une enceinte étanche (25) et des moyens de chauffage ou refroidissement.
  17. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 16, 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) pour le contrôle de l'épaisseur de structures nanocristallines.
  18. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 16 ou 17, 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.
  19. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications 16 à 18, 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.
  20. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 17, caractérisé en ce que la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm.
  21. Dispositif de génération de nanostructures d'une pièce (10) métallique selon la revendication 20, caractérisé en ce que la distance est de préférence de l'ordre de 4 à 5 mm.
  22. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 16, caractérisé en ce qu 'il comporte des moyens de réglage de la durée d'émission des billes et de leur vitesse.
  23. Dispositif de génération de nanostructures d'une pièce (10) métallique selon la revendication 16 ou 18, 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 17, 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.
  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 qu'il comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
  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 la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s.
  29. 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).
EP01960844A 2000-07-28 2001-07-27 Procede et dispositif de generation de nanostructures Expired - Lifetime EP1307598B1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0009950A FR2812285B1 (fr) 2000-07-28 2000-07-28 Procede de traitement de nanostructures et dispositif de traitement de nanostructures
FR0009950 2000-07-28
PCT/FR2001/002482 WO2002010462A1 (fr) 2000-07-28 2001-07-27 Procede de traitement de nanonstructures et dispositif de traitement de nanostructures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1307598A1 EP1307598A1 (fr) 2003-05-07
EP1307598B1 true EP1307598B1 (fr) 2005-01-05

Family

ID=8853044

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP01960844A Expired - Lifetime EP1307598B1 (fr) 2000-07-28 2001-07-27 Procede et dispositif de generation de nanostructures

Country Status (7)

Country Link
US (2) US7691211B2 (fr)
EP (1) EP1307598B1 (fr)
CN (1) CN1176228C (fr)
AU (1) AU2001282241A1 (fr)
DE (1) DE60108252T2 (fr)
FR (1) FR2812285B1 (fr)
WO (1) WO2002010462A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2801452C2 (ru) * 2018-11-14 2023-08-08 ВАН, Цзяхао Способ обработки магнитно-мягких металлических материалов

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2812285B1 (fr) * 2000-07-28 2003-02-07 Univ Troyes Technologie Procede de traitement de nanostructures et dispositif de traitement de nanostructures
JP4112952B2 (ja) 2002-11-19 2008-07-02 新日本製鐵株式会社 表層部をナノ結晶化させた金属製品の製造方法
JPWO2004059015A1 (ja) * 2002-12-25 2006-04-27 新東工業株式会社 金属表面の微細化方法及びその金属製品
DE102006008210A1 (de) * 2006-02-22 2007-08-23 Mtu Aero Engines Gmbh Strahlkammer zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen von Gasturbinen-Bauteilen
JP4832970B2 (ja) * 2006-07-06 2011-12-07 上村工業株式会社 小物の表面処理装置
DE102006036519A1 (de) * 2006-08-04 2008-02-07 Mtu Aero Engines Gmbh Deckelelement für eine Sonotrode und Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen
DE102006058679A1 (de) * 2006-12-13 2008-06-19 Mtu Aero Engines Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Oberflächenstrahlen eines Bauteils einer Gasturbine
JP5403906B2 (ja) * 2007-12-20 2014-01-29 三菱重工業株式会社 ショットピーニング装置及びショットピーニングの施工方法
FR2925522B1 (fr) * 2007-12-21 2010-08-20 Areva Np Procede de traitement superficiel d'un alliage de zirconium ou de hafnium, et piece ainsi traitee
KR100894499B1 (ko) * 2008-05-14 2009-04-22 (주)디자인메카 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법
GB0902333D0 (en) 2009-02-13 2009-04-01 Rolls Royce Plc A surface treatment device
JP5072885B2 (ja) * 2009-03-04 2012-11-14 三菱重工業株式会社 ショットピーニング加工条件の設定方法
CN101899554A (zh) * 2009-04-14 2010-12-01 香港理工大学 提高金属表面扩散率的方法及其应用
JP5669126B2 (ja) * 2009-06-18 2015-02-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光線反射防止用シボの形成方法および該方法によってシボが形成されたレンズ鏡筒
US20110252850A1 (en) * 2010-04-14 2011-10-20 Jian Lu Method and device of enhancing diffusibility of metallic surfaces and applications thereof
FR2970006B1 (fr) * 2010-12-30 2013-07-05 Wheelabrator Allevard Traitement de surface d'une piece metallique
FR2976589B1 (fr) * 2011-06-17 2014-09-12 Wheelabrator Allevard Traitement de surface d'une piece metallique
GB2492831A (en) * 2011-07-14 2013-01-16 Hkpb Scient Ltd Workpiece surface modification during ultrasonic peening
CN103046058B (zh) * 2013-01-25 2014-11-26 山东大学 一种热气流喷射加热与喷丸实现渗氮或渗碳的方法
WO2015014319A1 (fr) 2013-08-02 2015-02-05 City University Of Hong Kong Réseaux nanostructurés produits au moyen d'un procédé de traitement d'attrition mécanique de surface
US9517545B2 (en) 2013-08-02 2016-12-13 Nano And Advanced Materials Institute Limited Nanostructured-lattices produced by surface mechanical attrition treatment method
US9809893B2 (en) 2015-02-26 2017-11-07 City University Of Hong Kong Surface mechanical attrition treatment (SMAT) methods and systems for modifying nanostructures
CN104878176B (zh) * 2015-06-25 2017-02-22 南通河海大学海洋与近海工程研究院 棒状金属材料表面自纳米化装置
CN104911609B (zh) * 2015-07-06 2017-07-11 东北大学 一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法
CN106521398B (zh) * 2016-07-10 2019-02-22 上海大学 钛合金表面等离子法喷涂搪瓷涂层的方法及热轧处理
CN107630126A (zh) * 2017-08-07 2018-01-26 蔡晋 一种倾斜式超声喷丸强化设备
CN107471118A (zh) * 2017-08-07 2017-12-15 沈阳航空航天大学 一种内孔表面的可调反射式超声喷丸强化装置
CN109701948A (zh) * 2019-01-28 2019-05-03 西安建筑科技大学 一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法
CN110814645B (zh) * 2019-10-18 2021-06-25 广州大学 一种用于圆柱推力滚子轴承滚道表面的微织构加工设备
CN111137849B (zh) * 2019-12-30 2023-08-01 南京航空航天大学 一种渐进式金属表面微纳改性方法
CN111890233B (zh) * 2020-08-05 2022-03-01 宁波志成丰和投资管理合伙企业(有限合伙) 一种光学玻璃机械精抛系统及方法
CN112518594B (zh) * 2021-02-08 2021-05-11 四川大学 一种压电振子阵列型超声喷丸强化装置
CN114635022B (zh) * 2022-03-11 2023-08-04 中山大学 一种喷丸距离连续可调的深冷超声喷丸装置及方法
CN116213751A (zh) * 2022-12-13 2023-06-06 浙江大学 一种316l不锈钢表面处理方法
CN117821891A (zh) * 2024-02-23 2024-04-05 重庆纳米金属研究院 一种实现金属材料表层自润滑功能的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2542955A (en) * 1945-04-18 1951-02-20 Ford Motor Co Shot peening
US4415378A (en) * 1982-04-22 1983-11-15 Dana Corporation Case hardening method for steel parts
SU1655997A1 (ru) * 1988-04-07 1991-06-15 Предприятие П/Я Р-6930 Способ упрочнени внутренней поверхности полых изделий
FR2678537B1 (fr) * 1991-07-03 1993-09-17 Snecma Procede de grenaillage de pieces a methode de mesure d'intensite et installation de mise en óoeuvre.
FR2689431B1 (fr) * 1992-04-06 1995-10-20 Teknoson Procede et dispositif notamment de durcissement par ultrasons de pieces metalliques.
GB9404268D0 (en) * 1994-03-05 1994-04-20 Univ Nottingham Surface treatment of shape memory alloys
FR2812285B1 (fr) * 2000-07-28 2003-02-07 Univ Troyes Technologie Procede de traitement de nanostructures et dispositif de traitement de nanostructures
AU2001284087A1 (en) 2000-07-28 2002-02-13 The Institue Of Metal Research (I.M.R.) Mechanical method for generating nanostructures and mechanical device for generating nanostructures

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2801452C2 (ru) * 2018-11-14 2023-08-08 ВАН, Цзяхао Способ обработки магнитно-мягких металлических материалов

Also Published As

Publication number Publication date
US7691211B2 (en) 2010-04-06
AU2001282241A1 (en) 2002-02-13
WO2002010462A1 (fr) 2002-02-07
DE60108252D1 (de) 2005-02-10
US20070006943A1 (en) 2007-01-11
FR2812285B1 (fr) 2003-02-07
EP1307598A1 (fr) 2003-05-07
US20040250920A1 (en) 2004-12-16
US7300622B2 (en) 2007-11-27
FR2812285A1 (fr) 2002-02-01
CN1336445A (zh) 2002-02-20
CN1176228C (zh) 2004-11-17
DE60108252T2 (de) 2006-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1307598B1 (fr) Procede et dispositif de generation de nanostructures
WO2002010461A1 (fr) Procede de generation de nanostructures et dispositif de generation de nanostructures
CA2837821C (fr) Traitement de surface d'une piece metallique
CH713729B1 (fr) Procédé de lissage et de polissage des métaux par transport ionique à travers des corps solides libres, et corps solides pour mettre en oeuvre ledit procédé.
EP1307599B1 (fr) Procede mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures
EP2659010B1 (fr) Traitement de surface d'une piece métallique par grenaillage oblique
FR2812284A1 (fr) Procede de mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures
WO1995017994A1 (fr) Procede et dispositif d'ebavurage de pieces mecaniques
JP2009509771A (ja) レーザーピーニング中の孔食を防ぐよう除去層を使用するレーザーピーニング方法及び装置
WO2008050071A2 (fr) Couche d ' alliage de nickel-titane comprenant des atomes d ' azote inseres, procede d ' implantation
EP4110962A1 (fr) Procédé de fabrication d'une pièce en acier nitrure
EP2588641A2 (fr) Procede de traitement de surface d'un dispositif de distribution de produit fluide
FR2939150A1 (fr) Procede de traitement d'une partie metallique par un faisceau d'ions
FR2709762A1 (fr) Procédé d'application de chocs laser sur un matériau solide cristallin.
Faydh et al. Effect of the laser shock processing on wear resistance of brass alloy
Babenko et al. On thermophysical effects on the surface of functional nanostructured materials obtained with the application of femtosecond laser pulses
WO2021009417A1 (fr) Procéde et dispositif de traitement d'un matériau métallique par choc laser, matériau métallique obtenu par un tel procédé et utilisation du matériau
WO2016107837A1 (fr) Procédé de traitement préventif contre le relachement d'ions nickel d'une pièce en alliage de nickel et de chrome
Marasescu et al. Laser surface alloying of a chromium-molybdenum steel: mechanical behaviour improvement by melting of boron coatings
CH712923B1 (fr) Procédé de traitement de surface de particules d'une poudre métallique et particules de poudre métallique obtenues grâce à ce procédé.

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20030217

AK Designated contracting states

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

17Q First examination report despatched

Effective date: 20030805

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): BE CH DE FR GB LI

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

RTI1 Title (correction)

Free format text: METHOD AND DEVICE FOR GENERATING NANOSTRUCTURES

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): BE CH DE FR GB LI

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: FRENCH

REF Corresponds to:

Ref document number: 60108252

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20050210

Kind code of ref document: P

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 20050307

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20051006

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: BE

Payment date: 20130715

Year of fee payment: 13

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 15

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20150821

Year of fee payment: 15

Ref country code: CH

Payment date: 20150803

Year of fee payment: 15

Ref country code: GB

Payment date: 20150728

Year of fee payment: 15

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20150730

Year of fee payment: 15

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R119

Ref document number: 60108252

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

Effective date: 20160727

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160731

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160731

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160801

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20170201

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

Effective date: 20170331

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160727

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: BE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20140731