FR2812284A1 - Procede de mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures - Google Patents

Abstract

La pr esente invention concerne un proc ed e m ecanique de g en eration de nanostructures pour obtenir sur une surface d'une pièce m etallique une couche de nanostructures d' epaisseur d efinie caract eris e en ce qu'il comprend : - une etape de mise en mouvement circulaire d'une quantit e de billes (22) parfaitement sph eriques dispos ees dans une enceinte ferm ee pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10); - une etape 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 fr equence et l'amplitude du mouvement vibratoire etant d etermin ees en fonction des caract eristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une energie cin etique suffisante à la cr eation de nanostructures sur le mat eriau de la pièce à traiter.

Description

i 2812284 Procédé mécanique de génération de nanostructures et dispositif

mécanique de génération de nanostructures 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 1o 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

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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 m/s, alors que le grenaillage par pistolet pneumatique permet d'obtenir des

vitesses de billes comprises entre 10 et 1 00m/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 io 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 100pm. 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).

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Ce premier but est atteint par un procédé mécanique 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 io 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, I'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs

(31) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse D déterminée.

L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, apparaîtra plus

clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins

annexés dans lesquels:

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- 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

is 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).

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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 100pm. A l'issue du traitement selon l'invention, la taille des grains n'est plus que de I'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 entraîne 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

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bras (32). Ce bras (32) est lié à une structure (35) comportant un moteur non visible entraînant 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 entraînant 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 io 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 Q par des moyens d'entraînement en rotation non représentés. Le mouvement vibratoire communiqué par le système inertiel (33, 34, 35) ou 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 D 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

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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

1o 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

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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 io 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 i5 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

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profondeur. Les essais actuellement réalisés en traitant une pièce non mise sous contrainte ont permis de réaliser des couches de nanostructures allant de pm à 50pm 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 entraîné par la libération de cette énergie cinétique lors de l'impact sur la surface à traiter et par la résistance

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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 20pm, 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 pm il faut exposer la surface à traiter à une génération de nanostructures

par ultrasons pendant environ 400s avec des billes de 300pm de diamètre.

De même, I'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, AI, Cu, etc...). Le temps total nécessaire peut être prolongé ou réduit en fonction de la matière. Le diamètre des billes utilisées est compris entre 300pm 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.

il 2812284 Enfin, si pour des raisons acoustique ou de sécurité cela s'avère nécessaire, I'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.

1o 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 i5 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

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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 20pm. 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 o10 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 décroît rapidement jusqu'à un taux correspondant au taux obtenu selon le procédé de nitruration de l'art antérieur. Ce traitement permet d'obtenir des microstructures de matériau plus favorable vis-à-vis de la fatigue, fatigue par petit débattement

(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 20pm. 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

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traitée à la surface. Ensuite, le taux d'azote décroît lentement dans l'épaisseur de la pièce comprenant la nanostructure, pour finir par être égal au taux obtenu selon le procédé de nitruration de l'art antérieur lorsque la

couche de la pièce ne comprend plus de nanostructures.

Il faut noter que le procédé de nitruration selon l'art antérieur ne se réalise qu'à partir d'une certaine température, voisine 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 i5 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.

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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 io 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.

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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 0o 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.

1 5 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 300pm 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.

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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, I'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31) sur un plateau tournant (30) avec

io une vitesse Q déterminée.

Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de régler la vitesse 0 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) entraîné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, I'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 mm.

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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.

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Claims (28)

REVENDICATIONS

1. Procédé mécanique de génération de nanostuctures 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 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 io 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

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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

io 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 300pm 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

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(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 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, I'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31) sur un

plateau tournant (30) avec une vitesse Q déterminée.

16. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler la vitesse Q 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) entraîné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, I'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

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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

io 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 1 OOm/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 cellesci.

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.

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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).