EP1307599B1 - Procede mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures - Google Patents

Procede mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures Download PDF

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EP1307599B1
EP1307599B1 EP01963035A EP01963035A EP1307599B1 EP 1307599 B1 EP1307599 B1 EP 1307599B1 EP 01963035 A EP01963035 A EP 01963035A EP 01963035 A EP01963035 A EP 01963035A EP 1307599 B1 EP1307599 B1 EP 1307599B1
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EP
European Patent Office
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nanostructures
generating
balls
given
enclosure
Prior art date
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EP01963035A
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EP1307599A1 (fr
Inventor
Jian Lu
Ke 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical method of generation of nanostructures on metal parts and a device mechanical generation of nanostructures.
  • Nanocrystalline materials are characterized by ultra-fine grains typically less than 100nm 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) plastic deformation intense, 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.
  • Shot blasting of the surface of a material for example metallic material
  • the balls are projected using an air jet compressed.
  • the balls are not reused immediately and go through a recycling device before replenish the jet lance or the absence of a recycling device process requires a large amount of beads.
  • each jet incident on the piece is unidirectional under a certain angle for a given surface.
  • a continuous sweep of the room is required during shot peening to obtain a homogeneous surface.
  • the results obtained show that the surface of the treated part does not include of nanostructures.
  • the present invention therefore aims to overcome the disadvantages of the prior art by proposing a method for generating nanostructures to obtain a layer of nanostructures over a thickness determined from the surface of a part to be treated by a mechanical device using a limited amount of beads in a closed volume. This process is still called surface nanocrystallization by ball-milling.
  • Another object of the invention is to propose a device mechanics for generating nanostructures to obtain a layer of nanostructures over a thickness determined by a mechanical device using a limited amount of beads in a closed volume.
  • This goal is achieved through the mechanical device for generating nanostructures on a metal part comprising at least one enclosure closed for the size balls containing a determined quantity of perfectly spherical dimension, a connecting means of the enclosure to means for generating a vibration communicated to the enclosure, the assembly enclosure, vibration means being mounted by damping means (31) on a turntable (30) with a determined speed in a plane perpendicular to the direction of the vibratory motion communicated to the enclosure.
  • the principle of the invention is to perform a surface treatment of a metal part to, on the one hand modify the characteristics mechanics of the metal part, and secondly modify the properties of diffusion in the surface layer of the treated surface.
  • the mechanical properties of the microstructures nanoscale or nanostructure are well known. Indeed, the more metal grain size is small, the higher the mechanical strength of the room is big. Thus, the current research aims to develop manufacturing processes for obtaining formed parts only nanostructures.
  • the object of the invention is quite different, it consists, through a method of generating nanostructures (described later) to make a surface layer of nanostructures giving, the surface of the piece, the properties, for example mechanical this is sufficient to guarantee the properties targeted for the piece (resistance to fatigue, wear, friction, corrosion).
  • the size of the grains of metal from the surface of the room. Initially, for a piece, for example made of pure iron, the grains have a dimension of the order of 100 .mu.m. AT the result of the treatment according to the invention, the size of the grains is only the order of a few tens of nanometers.
  • FIG. 1 represents a diagram of a mechanical device of generation of nanostrutures by ball milling.
  • the generation principle nanostructures by ball-milling according to FIG. put a determined quantity of balls (22) perfectly spherical in movement and speed determined to impart energy to them kinetics allowing them to go to impact at the same point of the surface to deal with varying angles of incidence and sufficient energy to create nanostructures.
  • the balls (22) chosen to strike the surface (10) to be treated are perfectly spherical and of high quality.
  • the balls (22) selected are ball bearing balls. Given their quality, their use is carried out in a fixed quantity.
  • the use of balls (22) steel, green or ceramic, perfectly spherical, avoids the localized accumulation of constraints which, during the impact of the marble, damage the material. This perfect sphericity therefore makes it possible to generate plastic deformation of the surface of the material during the process of formation of the layer of nanostructures. The repetition of deformations multidirectional plastics then causes a fractionation of the grains of the metal or alloy of the piece to be treated and therefore a decrease in their sizes.
  • This arm (32) is connected to a structure (35) comprising a non-motor visible driving an axis (33) on which is mounted an inertial part (34) consisting, for example, of a circular sector-shaped mass (34).
  • the motor driving the axis (33) gives this inertial mass a speed V which given the dissymmetry will generate within the structure (35) a vibration which is communicated by its connection with the arm (32). This vibration is transmitted by the arm (32) to each bowl (20a, 20b).
  • This structure consisting of the arm of the inertial system and at least one bowl is mounted on one or more damping means (31a, 31b), the occurrence, in the exemplary embodiment, means are provided dampers below each of the bowls so as to give a symmetry of motion and thus more easily control the vibrations generated.
  • damping means (31a, 31b) are supported by a plate (30), which is rotatably actuated in one direction by means of rotational drive not shown.
  • the vibratory motion communicated by the inertial system (33, 34, 35) the bowls (20a, 20b) are of direction substantially perpendicular to the plane of the plateau or in other words, parallel to the axis of rotation of the plate.
  • the frequency of vibration as well as the amplitude of these vibrations are adapted according to the speed of rotation of the plate, so as to to communicate to the balls a determined speed allowing them to acquire sufficient kinetic energy for the creation of nanostructures.
  • the marbles (22) draw their energy from the bowl movement and will strike the surface of the workpiece (10) a large number of times according to angles of incidence variable and multiple by creating at each impact a plastic deformation constituted grains, an agglomerate of molecules of matter or alloy.
  • the ball having lost its energy in contact with the piece (10) falls back on the walls of the bowl (20) to acquire a new speed in a direction which, view of the room, seems random but determined by the physical laws.
  • the bowl (20) can be closed, either by the piece (10a) which then constitutes a lid for the bowl, or by a lid (203a, 203b) on which is fixed the piece (10a).
  • This last variant allows to realize in the enclosure closed constituted by the bowl (20a respectively 20b) and its lid associated (203a respectively 203b) an orifice (204a respectively 204b) to create a vacuum inside this chamber to promote the displacement of the balls.
  • system inertial (33, 34, 35) can be replaced by a sonotrode communicating with arm (32) a vibration of sufficient amplitude and frequency.
  • a sonotrode communicating with arm (32) a vibration of sufficient amplitude and frequency.
  • the surface to be treated can be placed under mechanical stress, for example into clamping the workpiece (10) with suitable gripping means (21).
  • gripping means are, for example, constituted by a sole (21.2) on which clamps (21.1) are mounted to clamp the workpiece against a protective shim (21.3) interposed between the piece (10) and the sole (21.2).
  • a rod (21.4) passing through the bores (21.21 and 21.31) of the sole (21.2) and the shim (21.3) applies a force on the part (10) retained by the flanges (21.1).
  • the pressure force can be obtained by threading the rod 21.4 and by 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 a or several places in a room. So several rods can be provided to apply different constraints in multiple places to get different thicknesses of nanostructures proportional to the value of constraints applied to the respective points.
  • traction means on each of the The ends of the piece allow to 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 three screw threads (33) arranged at 120 ° and urging the ends of the piece made integral with each tray.
  • the piece can, for example, cross each tray through 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 piece by a screw of transverse locking to the ring.
  • the trays, in particular that (32) oriented towards the emission zone of the projectiles, are provided, as shown FIG. 3B, recesses (321) allowing the circulation and projection of balls.
  • the applied stress can to be thermal.
  • the surface to be treated is heated, either entirely to get a uniform thickness of nanocrystalline structures all over the the surface of the part subjected to the bombardment of logs, either locally for obtain thickness variations of nanocrystalline structures.
  • heating means by radiation or conduction 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 energy the kinetics of the beads is important, the higher the level of stress generated in the under layer is important.
  • the upper limit of kinetic energy is defined, in particular by the warming up caused by the release of this kinetic energy during the impact on the surface to be treated and by the resistance mechanics of the balls and the material constituting the part. This disadvantage can be reduced or removed by cooling the enclosure or the room with a cooling system. Indeed, as explained previously, the rise in temperature tends to enlarge the grains of metal, and the material should not crack.
  • the hardness of the balls plays a role, in particular in the transfer of the kinetic energy of the ball to the surface of the piece.
  • the sound pressure generated by the sound waves also influences the process of generating the nanostructure.
  • the generation of ultrasonic nanostructures or the projection of jets of balls can be carried out in a medium containing a gas determined specificity modifying the mechanical behavior or chemical composition of the surface of the material during impact of the balls.
  • the surface to be treated must be exposed to a generation of ultrasonic nanostructures for 2 to 3 min with 3mm beads diameter.
  • a layer of nanostructures of about 10 ⁇ m it is necessary to expose the surface to be treated to a generation of nanostructures ultrasonically for about 400s with 300 ⁇ m diameter beads.
  • processing time per generation of nanostructures is between 30 and 1300s for materials classical metals (Fe, Ti, Ni, Al, Cu, etc ). Total time needed can be extended or reduced depending on the material.
  • the diameter of the balls used is between 300 ⁇ m and 3mm. In fact, for a ball size determined and a determined material, the generation time of nanostructures is determined according to the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the entire mechanism can be arranged inside a acoustic enclosure (25) for reducing noise so as to make compatible with acceptable standards for the job.
  • This enclosure (25) can be sealed and provided with means (26) for diffusion or vaporization (shown in dotted lines) allowing the performing one or more of the chemical or thermochemical treatments described below.
  • the bowl thanks to its circulation channel (204a, 204b), allows the penetration of chemical or thermochemical treatments.
  • the part to be treated may be useful to treat it, either initially under vacuum, or in an inert atmosphere, for example to avoid oxidation, then in a second time with the diffusion of specific chemical compounds to obtain the mechanical, physical or chemical properties interesting for the piece.
  • the generation of nanostructures on the surface processed from the piece (10) causes a modification of the law of diffusion in the area treated by multiplication of the number of boundaries between the grains, these boundaries then constituting as many nanoscale channels allowing the diffusion of chemical compounds having a size of the order of a few atoms. This allows a better penetration of the chemical compounds.
  • FIGS. 4A and 4B 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 the figure 4A corresponds to the measurement of the nitrogen content, depending on the thickness of the treated surface, where the part has undergone nitriding for two hours at a temperature of 550 ° C.
  • the solid line corresponds to the measurement performed for a previously treated surface according to the method of generation of nanostructures according to the invention. Generation treatment nanostructures of the surface allowed to obtain a nanostructure on a thickness of about 20 ⁇ m.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement performed for an untreated surface by generation of nanostructures.
  • the nitrogen content penetrated for nitriding treatment at 550 ° C is uniform in the thickness of the room and equal to 5%.
  • the nitrogen content in the same operating conditions, is much more important, five times greater than the rate of the untreated part, in the thickness in which the nanostructures were formed.
  • the nitrogen rate decreases rapidly up to a rate corresponding to the rate obtained according to the nitriding process of the prior art.
  • the curve shown in Figure 4B corresponds to the measurement of the depending on the thickness of the treated surface, when the piece has nitrided for two hours at a temperature of 350 ° C.
  • the solid curve corresponds to the measurement made for a surface previously treated according to the method of generating nanostructures according to the invention.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement taken for a surface not treated by generation of nanostructures.
  • the treatment generation of nanostructures from the surface made it possible to obtain nanostructure on a thickness of 20 ⁇ m.
  • the level of nitrogen is uniform in the thickness of the room and equal to 1%. This rate is too low to satisfactorily modify the properties mechanics 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 level decreases slowly in the thickness of the piece including the nanostructure, to end up being equal at the rate obtained according to the nitriding process of the prior art when the layer of the piece no longer includes nanostructures.
  • the nitriding process according to the prior art does not realizes that from a certain temperature, close to 550 ° C, for a steel or carbon part. It can be seen that the prior treatment of the piece allows not only to obtain a good structure on the surface in one piece, but also 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.
  • nitriding must be carried out at a temperature of about 550 ° C, gold at this temperature a metal part necessarily undergoes deformations. For some parts whose geometric precision is paramount, such deformations are not eligible, which therefore prohibits nitriding according to the method of the prior art.
  • the method of generating nanostructures according to the invention it is therefore possible to lower the treatment temperature and therefore to decrease or remove deformations from the part. Therefore, pieces of precision can undergo nitriding, which was impossible according to the art prior.
  • the pretreatment according to the method of generating nanostructures of the invention also makes it possible to reduce the duration of the treatment.
  • the presence of nanostructures and in particular nanoscale diffusion channels allows faster diffusion of compounds in the surface layer of the room.
  • the method comprises a step mechanical and / or thermal stressing of the part (10) metal to be treated.
  • the method comprises a step diffusion treatment of chemical compounds and the formation of new phases of materials of different composition in the layer of nanostructures generated during the generation of nanostructures or after the generation thereof.
  • the processing time is between several seconds and 10 hours.
  • the size of the beads varies from 3 to 10 mm.
  • 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 is a cementation or catalysis or storage of ions in the structure metallic part.
  • the step of setting in motion vibration is achieved by means of an electronic vibrator whose waves cause the speakers to move in the desired direction.
  • the vibrator is a generator ultrasonic.
  • the diameter of the balls (22) perfectly spherical is between 300 ⁇ m and 3mm depending on the desired thickness of the layer of nanostructures.
  • the projection time is determined by function of the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the projection time of the balls (22) is between 30 and 1300s.
  • the method comprises a step cooling of the workpiece.
  • the speed of the balls is included between 5 and 100 m / s
  • the mechanical device for generating nanostructures on a determined thickness of a metal part (10) comprising at least a closed enclosure for the size of the balls containing a quantity determined perfectly spherical beads of determined size, a means for connecting the enclosure to means for generating a vibration communicated to the enclosure, the enclosure assembly, means of vibration being mounted by damping means (31) on a turntable (30) with a determined speed.
  • the device comprises means of adjusting the speed of rotation of the plate and the means of adjusting the frequency and amplitude of the vibration generating means.
  • the generation means of vibration is an ultrasonic generator.
  • the generation means of vibration consists of an inertial assembly (34) driven in rotation according to an axis (33) perpendicular to the axis of rotation of the plate, the inertial assembly being mechanically connected to the connecting means (32) with the enclosure (20a, 20b).
  • the device comprises means for stressing the metal part (10) and / or means for heating the workpiece (10).
  • the device comprises means for adjusting the distance (d) between the emission source of the balls and the piece to be treated.
  • the distance is of the order of 4 to 40 mm.
  • the device comprises means for adjusting the duration of emission of the balls and their speed.
  • the balls are in such quantity they occupy, when the means of movement in ultrasound are inactive, an area greater than 30% of the surface of the sonotrode
  • the speed of the balls is included between 5 and 100m / s.
  • the device comprises means to perform local cooling of the treated area of the room.
  • the device comprises means of treatment by diffusion of chemical compounds in the layer of nanostructures generated during the generation of nanostructures or after the generation of these.
  • the device comprises means for placing nitrogen in the part zone (10) to be treated, at a specified temperature of between 350 and 550 ° C, during a fixed term between 30 min and 10h.
  • the device comprises means of carburizing, carbonitriding and other treatments thermochemical.
  • the device is enclosed in an acoustic insulation enclosure (25).

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Description

La présente invention concerne un procédé mécanique de génération de nanostructures sur des pièces métalliques et un dispositif mécanique de génération 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 deformation) 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 classiques. 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 ou l'absence de dispositif de recyclage de procédé nécessite une grande quantité de billes. 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 nanostructures. Le seul intérêt du procédé de grenaillage classique réside dans le fait que l'on puisse obtenir des vitesses de billes plus importantes que dans la projection de billes par ultrasons. En effet, la projection de billes par ultrasons 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 ultrasons de pièces métalliques qui consiste à mettre en mouvement des billes dans un volume fermé, 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 de déplacement 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 pas de créer une couche 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 génération de nanostructures permettant d'obtenir une couche de nanostructures sur une épaisseur déterminée de la surface d'une pièce à traiter par un dispositif mécanique utilisant une quantité limitée de billes dans un volume fermé. Ce procédé est encore appelé nanocristallisation de surface par broyage à billes (ball-milling).
Ce premier but est atteint par un procédé mécanique de génération de nanostructures pour obtenir sur une surface d'une pièce métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définit caractérisé en ce qu'il comprend :
  • une étape de mise en mouvement circulaire d'une quantité de billes (22) parfaitement sphériques disposées dans une enceinte fermée pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10) ;
  • une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ;
la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
Un autre but de l'invention consiste à proposer un dispositif mécanique de génération de nanostructures permettant d'obtenir une couche de nanostructures sur une épaisseur déterminée par un dispositif mécanique utilisant une quantité limitée de billes dans un volume fermé. Ce but est atteint grâce au dispositif mécanique de génération de nanostructures sur une pièce métallique comprenant au moins une enceinte fermée pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphérique de dimension déterminée, un moyen de liaison de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31 ) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse déterminée dans un plan perpendiculaire à la direction du mouvement vibratoire communiqué à l'enceinte.
L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, apparaítra plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 représente une vue en coupe du principe du procédé mécanique de nanostrucutres selon l'invention ;
  • 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 ;
  • les figure 4A et 4B représentent la courbe représentant le taux et la pénétration de l'azote durant un traitement par nitruration ionique dans une pièce traitée selon le procédé mécanique de génération de nanostrutures selon l'invention, respectivement pour une température de 550 et 350°C.
Le principe de l'invention est de réaliser un traitement de la surface d'une pièce métallique pour, d'une part modifier les caractéristiques mécaniques de la pièce métallique, et d'autre part modifier les 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, la surface de la pièce, les propriétés, par exemple mécaniques souhaitées, ceci étant suffisant pour garantir les propriétés visées pour la pièce (résistance à la fatigue, à l'usure, aux frottements, à la corrosion).
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 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, il faut créer à la surface du matériau une déformation plastique dans toutes les directions et de façon aléatoire selon les processus et avec les dispositifs définis en relation avec la figure 1.
La figure 1 représente un schéma d'un dispositif mécanique de génération de nanostrutures par broyage à billes. Le principe de génération de nanostructures par broyage à billes (ball-milling) selon la figure 1, est de mettre une quantité déterminée de billes (22) parfaitement sphériques en mouvement et vitesse déterminées pour leur communiquer une énergie cinétique leur permettant d'aller impacter au même point de la surface à traiter selon des angles d'incidence variables et une énergie suffisante pour créer des nanostructures.
Les billes (22) choisies pour frapper la surface (10) à traiter sont parfaitement sphériques et de haute qualité. A titre d'exemple, les billes (22) choisies sont des billes de roulement à billes. Compte-tenu de leur qualité, leur utilisation est effectuée en quantité déterminée. L'utilisation de billes (22) en acier, verte ou céramique, parfaitement sphériques, permet d'éviter l'accumulation localisée de contraintes qui lors, de l'impact de la bille, endommagerait le matériau. Cette sphéricité parfaite permet donc de générer une déformation plastique de la surface du matériau pendant le processus de formation de la couche de nanostructures. La répétition des déformations plastiques multidirectionnelles entraíne alors un fractionnement des grains du métal ou de l'alliage de la pièce à traiter et donc une diminution de leurs tailles. Un exemple de réalisation de l'invention représenté à la figure 1 est constitué d'un bras ou plateau (32) portant à au moins une extrémité un bol, en l'occurrence sur la figure deux bols sont représentés à deux extrémités du bras (32). Ce bras (32) est lié à une structure (35) comportant un moteur non visible entraínant un axe (33) sur lequel est montée une pièce inertielle (34) constituée, par exemple, d'une masse en forme de secteur circulaire (34). Le moteur entraínant l'axe (33) donne à cette masse inertielle une vitesse V qui compte-tenu de la dissymétrie génèrera au sein de la structure (35) une vibration qui est communiquée par sa liaison avec le bras (32). Cette vibration est transmise par le bras (32) à chaque bol (20a, 20b). Cette structure constituée du bras du système inertiel et d'au moins un bol est montée sur un ou plusieurs moyens amortisseurs (31a, 31b), en l'occurrence, dans l'exemple de réalisation, on a disposé des moyens amortisseurs en dessous de chacun des bols de façon à donner une symétrie de mouvement et contrôler ainsi plus aisément les vibrations générées. Ces moyens amortisseurs (31a, 31b) sont supportés par un plateau (30), lequel est actionné d'un mouvement rotatif selon une direction par des moyens d'entraínement en rotation non représentés. Le mouvement vibratoire communiqué par le système inertiel (33, 34, 35) aux bols (20a, 20b) est de direction substantiellement perpendiculaire au plan du plateau ou autrement dit, parallèle à l'axe de rotation du plateau. La fréquence des vibrations ainsi que l'amplitude de ces vibrations sont adaptées en fonction de la vitesse de rotation du plateau, de façon à communiquer aux billes une vitesse déterminée leur permettant d'acquérir une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures. 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 d'incidence variables et multiples en créant à chaque impact une déformation plastique des grains constitués, d'un agglomérat de molécules de matière ou d'alliage. La bille ayant perdu son énergie au contact de la pièce (10) retombe sur les parois du bol (20) pour acquérir une nouvelle vitesse selon une direction qui, vue de la pièce, semble aléatoire mais déterminée par les lois physiques. Le bol (20) peut être fermé, soit par la pièce (10a) qui constitue alors un couvercle pour le bol, soit par un couvercle (203a, 203b) sur lequel est fixée la pièce (10a). Cette dernière variante permet de réaliser dans l'enceinte fermée constituée par le bol (20a respectivement 20b) et son couvercle associé (203a respectivement 203b) un orifice (204a respectivement 204b) permettant de réaliser le vide à l'intérieur de cette enceinte pour favoriser le déplacement des billes.
Dans une variante de réalisation, il est possible de fixer la pièce à tout autre paroi du bol et éventuellement de faire jouer le rôle de bol à la pièce si la géométrie de cette dernière s'y prête. De même, il est possible de ménager un espace entre le bol et le couvercle, sans que celui-ci ne dépasse la taille des billes. Ainsi, l'enceinte est perçue comme fermée pour la tailles des billes.
Dans une autre variante de réalisation de l'invention, le système inertiel (33, 34, 35) peut être remplacé par une sonotrode communiquant au bras (32) une vibration d'amplitude et de fréquence suffisantes. Dans ce cas, on pourra très bien utiliser des fréquences qui sortent du spectre des ultrasons, la fréquence de vibration étant déterminée en fonction de la vitesse de rotation de l'ensemble de la masse et de la taille des billes pour permettre la communication aux billes d'une énergie cinétique suffisante.
Enfin, lorsque l'on souhaite obtenir une épaisseur de nanostructures de quelques dizaines à plusieurs centaines de microns la surface de la pièce à traiter peut être mise sous contrainte.
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 les perçages (21.21 et 21.31) de 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 (321) permettant la circulation et la projection des billes.
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 ou conduction sont installés dans le bol ou sur le la pièce ou dans l'enceinte acoustique 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 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 traitant une pièce non mise sous contrainte ont permis de réaliser des couches de nanostructures allant de 20µm à 50µm avec mise sous contrainte. On obtient alors des nanostructures sur une épaisseur de plusieurs centaines de microns. 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 quelque centaines de microns à quelques millimètres, plus la couche de nanostructure 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 qui correspond à la saturation et qui ne permet 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 nanostructures 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 généré dans la sous couche est important. 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, la génération de nanostructures par ultrasons ou la projection de jets de billes peut être réalisée dans un milieu contenant un gaz spécifique déterminé modifiant le comportement mécanique ou la composition 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 3min 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 par génération de nanostructures est comprise entre 30 et 1300s pour les matériaux métalliques classiques (Fe, Ti, Ni, Al, Cu, etc...). Le temps total nécessaire peut être prolongé ou réduit en fonction de la matière. Le diamètre des billes utilisées est compris entre 300µm et 3mm. 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.
Enfin, si pour des raisons acoustique ou de sécurité cela s'avère nécessaire, l'ensemble du mécanisme peut être disposé à l'intérieur d'une enceinte (25) acoustique permettant de diminuer les bruits de façon à les rendre compatibles avec les normes acceptables pour le travail. Cette enceinte (25) peut être rendue étanche et pourvue de moyens (26) de diffusion ou de vaporisation (représenté en pointillés) permettant la réalisation d'un ou plusieurs des traitements chimiques ou thermochimiques décrits ci-après. Dans ce cas, le bol ,grâce à son canal de circulation (204a, 204b), permet la pénétration des traitements chimiques ou thermochimiques. Ainsi, selon les caractéristiques physico-chimiques de la pièce à traiter, il peut être utile de traiter celle-ci, soit dans un premier temps sous vide, soit dans une atmosphère inerte, par exemple pour éviter l'oxydation, puis dans un deuxième temps avec la diffusion de composés chimiques spécifiques permettant d'obtenir les propriétés mécaniques, physiques ou chimiques intéressantes pour la pièce. La génération de nanostructures sur la surface traitée de la pièce (10) provoque une modification de la loi de diffusion dans la zone traitée par multiplication du nombre de frontières entre les grains, ces frontières constituant alors autant de canaux nanométriques permettant la diffusion de composés chimiques ayant une taille de l'ordre de quelques atomes. Ceci permet une meilleure pénétration des composés chimiques.
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 4A et 4B 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 4A 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 beaucoup plus important, soit 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 (fatigue freeting) et fatigue de contact.
La courbe représentée à la figure 4B 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 est 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 de 550°C, pour une pièce en acier ou carbone. 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 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 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.
Ainsi le procédé mécanique de génération de nanostructures selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comprend :
  • une étape de mise en mouvement circulaire d'une quantité de billes (22) parfaitement sphériques disposées dans une enceinte fermée pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10) ;
  • une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ;
la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de mise sous contrainte mécanique et/ou thermique de la pièce (10) métallique à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de traitement par diffusion de composés chimiques et par la formation de nouvelles phases de matériaux de composition différente dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
Dans un autre mode de réalisation, le temps de traitement est compris entre plusieurs secondes et 10 heures.
Dans un autre mode de réalisation, la taille des billes varie de 3 à 10 mm.
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 min et 10h.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement est une cémentation ou une catalyse ou un stockage d'ions dans la structure métallique de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de mise en mouvement vibratoire est réalisée par l'intermédiaire d'un vibreur électronique dont les ondes provoquent le mouvement des enceintes selon la direction souhaitée.
Dans un autre mode de réalisation, le vibreur est un générateur ultrasonique.
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.
Dans un autre mode de réalisation, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10) et une configuration de machine donnée, 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 procédé comporte une étape de refroidissement de la pièce à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, la vitesse des billes est comprise entre 5 et 100 m/s
Enfin, le dispositif de mécanique de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique comprenant au moins une enceinte fermée pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphériques de dimension déterminée, un moyen de liaison de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse déterminée.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de régler la vitesse de rotation du plateau et des moyens de régler la fréquence et l'amplitude des moyens de génération de vibration.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen de génération de vibration est un générateur ultrasonique.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen de génération de vibration est constitué d'un ensemble inertiel (34) entraíné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, l'ensemble inertiel étant relié mécaniquement au moyen de liaison (32) avec l'enceinte (20a, 20b).
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif 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, le dispositif 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, le dispositif 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 en 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 des billes est comprise entre 5 et 100m/s.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de mise sous atmosphère d'azote de la zone de pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de cémentation, carbonitruration et autres traitements thermochimiques.
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.

Claims (28)

  1. Procédé mécanique de génération de nanostructures pour obtenir sur une surface d'une pièce métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définie, caractérisé en ce qu'il comprend :
    une étape de mise en mouvement circulaire d'une enceinte dans laquelle est disposée une quantité de billes (22) parfaitement sphériques, l'enceinte étant fermée pour la taille des billes et ayant au moins une de ses parois supportant ou constituant la pièce à traiter (10) ;
    une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ;
    la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
  2. 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.
  3. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de traitement par diffusion de composés chimiques et par la formation de nouvelles phases de matériaux de composition différente dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
  4. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le temps de traitement est compris entre plusieurs secondes et 10 heures.
  5. Procédé de génération de nanostructures selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la taille des billes varie de 3 à 10 mm.
  6. Procédé de traitement de surface selon la revendication 3, 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 min et 10h.
  7. Procédé de traitement de surface selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est une cémentation ou une catalyse ou un stockage d'ions dans la structure métallique de la pièce.
  8. Procédé mécanique de génération de nanostructures selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mise en mouvement vibratoire est réalisée par l'intermédiaire d'un vibreur électronique dont les ondes provoquent le mouvement des enceintes selon la direction souhaitée.
  9. Procédé mécanique de génération de nanostructures selon la revendication 8, caractérisé en ce que le vibreur est un générateur ultrasonique.
  10. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 8, 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.
  11. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10) et une configuration de machine donnée, la durée de projection est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur.
  12. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s.
  13. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement de la pièce à traiter.
  14. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse des billes est comprise entre 5 et 100 m/s
  15. Dispositif mécanique de génération de nanostructures sur une pièce métallique comprenant au moins une enceinte fermée (20a,20b) pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphériques de dimension déterminée, un moyen de liaison (38) de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration (33,34,35) communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse déterminée dans un plan perpendiculaire à la direction du mouvement vibratoire communiqué à l'enceinte.
  16. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler la vitesse de rotation du plateau et des moyens de régler la fréquence et l'amplitude des moyens de génération de vibration.
  17. Dispositif selon une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen de génération de vibration est un générateur ultrasonique.
  18. Dispositif selon une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le moyen de génération de vibration est constitué d'un ensemble inertiel (34) entraíné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, l'ensemble inertiel étant relié mécaniquement au moyen de liaison (32) avec l'enceinte (20a, 20b).
  19. Dispositif mécanique 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).
  20. 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.
  21. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 20, caractérisé en ce que la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm.
  22. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications 15 à 21, 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 sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que la vitesse des billes est comprise entre 5 et 100m/s.
  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 qu'il comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
  25. Dispositif de génération de nanostructures selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
  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 comprend des moyens de mise sous atmosphère d'azote de la zone de pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
  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 comprend des moyens de cémentation, carbonitruration et autres traitements thermochimiques.
  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).
EP01963035A 2000-07-28 2001-07-27 Procede mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures Expired - Lifetime EP1307599B1 (fr)

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