FR2963025A1

FR2963025A1 - Procede de depot d'un systeme de couches protectrices a durete progressive et systeme de couches ainsi obtenu

Info

Publication number: FR2963025A1
Application number: FR1156486A
Authority: FR
Inventors: Harald Maus; Andreas Hebach; Michael Lingner; Silvan Hippchen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2012-01-27
Also published as: DE102010031539A1; CN102337538B; CN102337538A; ITMI20111300A1

Abstract

Procédé de dépôt d'un système de couches ayant des caractéristiques de fonctionnement à sec améliorées sur la surface d'un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes de procédé suivantes : - dépôt galvanique d'une couche de chrome dur (3, 5) sur la surface supérieure d'un substrat (1) en appliquant un courant de dépôt pulsé, - application d'une couche DLC (4) sur la couche de chrome dur, déposée par dépôt galvanique en utilisant le procédé PVD ou le procédé CVD.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapport à un procédé de réalisation d'un système de couches ayant des caractéristiques améliorées de fonctionnement à sec.

L'invention se rapporte également à un système de couches ainsi réalisé et à l'utilisation d'un tel système de couches, notamment pour revêtir des parties de soupape, telles que des soupapes d'échange de gaz. Etat de la technique Les couches de protection contre l'usure sont utilisées dans la construction des machines, des installations ou des appareils pour améliorer la durée de vie de pièces mécaniques fortement sollicitées. Depuis longtemps, on obtient d'excellents résultats avec une couche de nickel ou une couche de chrome dur comme couches de protection contre l'usure appliquées dans ces zones. Ces couches sont appliquées par un procédé galvanique sur les pièces à protéger, les substrats ou les matériaux de base. Pour augmenter la durée de vie d'un composant, d'un substrat ou d'un matériau de base par une couche de protection contre l'usure, on cherche d'une part à réduire les contraintes appliquées à cette couche de protection par un coefficient de friction aussi faible que possible et d'autre part, à réaliser une couche de protection ayant une dureté élevée pour minimiser l'enlèvement de matière sous une charge prédéfinie. Les fonctions d'une couche de protection contre l'usure sont entre autres celles d'une réduction de l'abrasion du matériau de base et ainsi d'éviter une déformation progressive, notamment une déformation par abrasion du matériau de base. De plus, une couche de protection contre l'usure, peut réaliser une paire de friction, adaptée avec un corps complémentaire et éviter la pénétration de particules, par exemple de particules provenant d'un carburant non nettoyé dans le matériau de base d'une pièce et la destruction par exemple de la surface d'étanchéité. Au contraire des couches organiques comme par exemple des vernis de lubrification qui s'usent au cours de la phase de rodage entre les pièces et permettent une compensation parfaite des surfaces

2 des pièces encore appelées pièces d'usure, une couche galvanique de protection contre l'usure assure sa protection pendant toute la durée de vie de la pièce. Les couches galvaniques de protection contre l'usure, possèdent ainsi les propriétés des matériaux du ou des métaux déposés. Jusqu'à présent, On ne peut adapter les propriétés à un certain profil de conditions que de manière conditionnelle à savoir, par la sélection du métal utilisé pour cette couche ainsi que par la variation de l'épaisseur de la couche ou des conditions de dépôt. Si les différences de dureté par rapport au matériau de base à protéger et de la couche de protection contre l'usure, sont trop grandes, on aura un effet dit de coquille d'oeuf. Ainsi, la couche dure de protection contre l'usure, se casse sous l'effet des contraintes exercées sur le matériau de base, car celui-ci n'a pas une dureté de base suffisante pour soutenir la couche de protection contre l'usure.

Les développements récents pour optimiser les propriétés des couches de protection contre l'usure, prévoient en plus de l'application monocouche, classique, d'une couche de protection contre l'usure sur le matériau de base, également des systèmes multicouches. Ainsi, on applique en principe deux concepts différents. D'une part, on pourra prévoir une alternance de couches dures et de couches molles et d'autre part prévoir une variation continue de la dureté dans la structure des couches d'usure. Cette dernière solution est également appelée système gradué de protection contre l'usure. On peut réaliser une succession de couches de protection contre l'usure en des matériaux différents, par exemple par des procédés galvaniques tels que la transformation du substrat revêtu ou de la pièce dans différents bains d'électrolyte. Si, dans une succession de couches de protection, on utilise différents matériaux pour les différentes couches, l'un des défis sera celui de réaliser une combinaison tenant par accrochage. Un autre procédé pour réaliser des systèmes multicouches est d'appliquer un matériau de la couche d'usure sous différentes conditions de dépôt sur le matériau de base. On pourra par exemple déposer du chrome pour obtenir du chrome dur en appliquant une tension continue donnant un courant de dépôt et la

3 couche de chrome dur, pourra se déposer en appliquant un courant impulsionnel pour avoir une couche de chrome sans fissure. Il est également connu de générer des couches de protection, par exemple par un dépôt physique en phase gazeuse (procédé PVD) ou des procédés voisins tels que par exemple le dépôt chimique en phase gazeuse (procédé CVD). Le procédé PVD permet de déposer pratiquement tous les métaux et aussi du carbone sous une forme très fine. Toutefois, on ne peut obtenir que des couches minces de l'ordre de quelques nanomètres jusqu'à quelques microns, par un procédé économique. En outre, de tels procédés sont en eux-mêmes très coûteux. Pour les pièces fortement sollicitées, on réalise une protection contre l'usure, souvent avec des couches de chrome dur ou avec une couche de carbone-diamant (couche DLC). La condition est que dans la plupart des cas, la base doit être suffisamment solide et pouvoir être sollicitée, pour éviter l'enfoncement de la couche de protection contre l'usure dans le matériau de base et ainsi l'apparition de l'effet de coquille d'oeuf décrit précédemment. Souvent, on utilise pour cela des matériaux de base ayant une dureté appropriée, comme par exemple de l'acier tel que l'acier 100Cr6. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un procédé de dépôt d'un système de couches ayant des caractéristiques de fonctionnement à sec améliorées sur la surface d'un substrat, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes de procédé suivantes : - dépôt galvanique d'une couche de chrome dur sur la surface supérieure d'un substrat en appliquant un courant de dépôt pulsé, et - application d'une couche DLC sur la couche de chrome dur, déposée par dépôt galvanique en utilisant le procédé PVD ou le procédé CVD. La combinaison selon l'invention d'une couche de chrome dur et d'une couche DLC, combine les propriétés avantageuses des deux couches dans un système de couches. Le système de couches

4 ainsi déposées se caractérise par sa dureté et par ses remarquables propriétés de fonctionnement à sec. Selon l'invention, les couches de chrome dur déposées dans la première étape du procédé, peuvent être des monocouches, mais aussi des systèmes multicouches. Des systèmes multicouches conviennent de manière particulièrement avantageuse lorsqu'ils sont la combinaison d'une couche de chrome dur déposée avec des microfissures et d'une couche de chrome sans fissure déposée ensuite en appliquant un courant impulsionnel.

Le procédé selon l'invention a l'avantage que le substrat à revêtir n'a pas à être soumis à un traitement préalable compliqué, comme cela est nécessaire normalement pour déposer une couche DLC sur un substrat. Ainsi, jusqu'à présent, il était nécessaire de préparer la surface de substrat à munir d'une couche DLC, par des étapes de meulage compliquées et coûteuses sur le revêtement successif. Un tel traitement préalable, intense des surfaces du substrat, peut être évité par le procédé de l'invention, ce qui optimise également le coût par pièce. Le dépôt galvanique selon l'invention d'une couche de chrome dur avant d'appliquer une couche DLC a en outre l'avantage que le procédé de dépôt galvanique élimine tous résidus organiques tel que par exemple des graisses ou des résidus analogues, ainsi que les fines particules à la surface de la pièce ; ainsi, ce n'est que pour des substrats seulement grossièrement nettoyés préalablement, qu'après le procédé de traitement galvanique, on aura un substrat très propre et sec préparé de manière optimale pour l'application consécutive d'une couche DLC. On peut ainsi éviter les phases de nettoyage précédant l'application du revêtement DLC, ce qui se traduit par un complément d'économie.

En outre, les couches de chrome dur de dépôt galvanique ne posent pas de problèmes particuliers quant à la qualité de la surface du substrat à revêtir. Toutefois, elles correspondent en général à la structure de la surface du substrat, de sorte que la profondeur brute du revêtement de chrome dur dépend des propriétés de la surface du substrat. De manière avantageuse, on peut avoir un dépôt par un système multicouches et néanmoins un effet d'aplanissement, de sorte qu'à la fin du dépôt galvanique d'une couche de chrome dur selon le procédé de l'invention, on obtiendra une surface de substrat avec une profondeur brute optimisée qui pourra recevoir de manière 5 remarquable, ensuite, une couche DLC. Le nouveau matériau, notamment à base de matériaux frittés ou de métaux injectés (moulage par injection de métal, procédé MIM), sont souvent plus économiques plus faciles à travailler que les matériaux usuels, tels que l'acier, tout en n'ayant souvent pas une résistance suffisante à l'usure. Du fait de leur morphologie, l'inhomogénéité qui se produit souvent dans de tels matériaux, au niveau de la surface supérieure, ne pouvait recevoir jusqu'alors aucune protection ou une protection très difficilement applicable vis-à-vis des couches de protection anti-usure. Le procédé selon l'invention permet d'équiper ces nouveaux matériaux de couches de protection contre l'usure, multicouches. Cela permet de combiner les avantages de techniques de fabrication de ces nouveaux matériaux à leurs propriétés remarquables de protection contre l'usure pour les couches DLC dans des fabrications en grande série.

Le procédé selon l'invention ainsi que le système de couches selon l'invention permettent de compenser l'énergie du choc appliquée par une contrainte mécanique, telle que par exemple un choc sur le substrat ou à la surface du substrat par la couche de chrome dur de sorte qu'il n'y aura qu'une faible déformation du matériau de base.

Un effet de coquille d'oeuf engendré par une telle déformation et l'éclatement consécutif de la couche DLC appliquée sur cette couche de base, seront ainsi évités. On arrive ainsi à une durée de vie significativement plus importante des couches de protection contre l'usure et ainsi également du substrat.

Selon un développement du procédé de l'invention, on applique la couche de chrome dur suivant une épaisseur de couche comprise entre 0,5 µm et 300 µm, de préférence comprise entre 1 µm et 200 µm et de manière encore plus préférentielle, entre 3 µm et 50 µm. une telle épaisseur de couche convient pour réaliser une base suffisamment solide mécaniquement pour une couche DLC appliquée

6 sur celle-ci pour éviter l'éclatement de la couche DLC sous l'effet des contraintes mécaniques usuelles. Selon un autre développement du procédé de l'invention, pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur, on applique un courant de dépôt ayant une densité de courant moyenne comprise entre 10 A/dm2 et 100 A/dm2 et de préférence entre 20 A/dm2 et 80 A/dm2, et de manière encore plus préférentielle entre 25 A/dm2 et 60 A/dm2. Selon un autre développement du procédé de l'invention, pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur, on règle une fréquence impulsionnelle du courant de dépôt comprise entre 0,1 Hz et 1000 Hz. Selon l'invention, une succession d'impulsions de courant avec des impulsions de courant cathodiques et anodiques, se règle sur le substrat et le cas échéant entre les phases de repos avec une tension de pause de zéro volt ou plus, par une installation de commande et ainsi par un courant variable dans le temps. En variante ou en plus, à l'aide d'une installation de commande, on règle une succession d'impulsions de tension et ainsi la tension, par un potentiomètre, de manière variable en fonction du temps. Une courbe galvanostatique d'impulsions selon l'invention, peut être améliorée à titre d'exemple à partir d'un traitement préalable approprié ayant une tenue d'accrochage du revêtement, améliorée, avec un temps d'attente compris entre 0 s et 240 s, une activation du courant de base par une durée d'activation de 10-30 s et un temps d'attente compris entre 0 s et 20 s, et la succession d'impulsions, alternant entre impulsions et impulsions inverses, aura une longueur d'impulsions de 1 ms-10 ms et une densité de courant comprise entre 10 et 100 A/dm2, la phase de l'impulsion d'inversion étant choisie avec des paramètres analogues. Dans le dépôt de la couche de chrome, on pourra modifier les paramètres pour arriver à des propriétés non graduées. Selon un développement du procédé de l'invention, pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur, on règle un rapport entre la densité positive et la densité négative qui serait compris entre 1:1 et 1:10 et de préférence 1:2 et 1:5. Cela signifie que dans ce

7 développement du procédé, l'impulsion d'inversion aura une longueur comprise entre 1/10 et 1/ 1 de la durée de l'impulsion de dépôt. De manière avantageuse, on règle les propriétés de la couche de chrome selon l'invention en ce que l'on commande uniquement le courant et/ou le paramètre de processeur de tension. Les couches de chrome, séparées, peuvent ainsi être déposées avec des propriétés différentes, souhaitées, uniquement obtenues par le pilotage du courant et/ou de la tension avec ou sans changement de polarité. Les couches de chrome peuvent être déposées de manière ciblée avec des structures différentes. Cela permet de réaliser sur un même substrat et à partir d'un matériau de base relativement souple, par exemple tout d'abord les couches de chrome mou, sans fissure, ayant une dureté comprise entre ? 450 HV et ? 700 HV et ensuite générer des couches de chrome de dureté croissante allant de ? 700 HV à ? 1100 HV. La couche DLC déposée selon l'invention sur la couche de chrome dur peut, selon un développement préférentiel de l'invention, avoir une épaisseur de couche comprise entre 1 µm et 10 µm. Une telle épaisseur de couche offre un avantage remarquable de protection contre l'usure et en outre de bonnes propriétés de fonctionnement à sec. Cela est notamment avantageux pour les applications du procédé de l'invention pour revêtir par exemple des composants de soupape, notamment des composants de soupapes à gaz, car il faut assurer le bon fonctionnement de la soupape ou du composant de soupape pour des moyens tels que des huiles ou des graisses, en cas de manque d'agent réducteur de friction. La couche DLC selon l'invention, peut être appliquée par le procédé connu selon l'état de la technique pour effectuer un revêtement DLC tel que par exemple un dépôt chimique en phase gazeuse (procédé CVD), un dépôt physique en phase gazeuse, (procédé de dépôt à la vapeur plasma, procédé PVD) ou autres procédés appliqués sur la couche de chrome dur obtenue par dépôt galvanique. L'invention s'applique en outre à un système de couches comprenant une première couche de chrome dur déposée par voie galvanique sur une surface de substrat et d'une couche DLC appliquée

8 sur la première couche de chrome dur, ainsi que la couche de chrome dur ayant une épaisseur de couche comprise entre 0,5 µm et 300 µm. Le système de couches selon l'invention présente comme couche de protection contre l'usure sur des matériaux de base très différents tels que de l'acier ou des matériaux frittés, des propriétés avantageuses d'échange de gaz, ainsi qu'une bonne tenue aux contraintes mécaniques. En particulier, le système de couches selon l'invention, même pour des contraintes mécaniques usuelles, n'aura aucune trace ou qu'un très faible décrochement de la couche DLC, appliquée. Selon un développement du système de couches, la couche de chrome dur peut avoir une dureté > 700 HV de préférence comprise entre ? 750 HV et ? 1100 HV. La couche DLC peut comporter dans le système de couches selon l'invention, une épaisseur de couche comprise entre 1 µm et 10 µm. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de procédé de dépôt d'un système de couches représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : les éléments identiques ou de fonction analogue porteront les mêmes références. Ainsi : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un substrat muni d'une couche protectrice de chrome selon l'état de la technique, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un substrat muni d'une couche de protection contre l'usure selon l'invention, - la figure 3 est une vue de côté schématique d'un substrat muni d'une couche de protection contre l'usure selon l'invention avec une couche de chrome dur à plusieurs nappes.

Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une couche de protection contre l'usure correspondant à l'état de la technique ; cette couche se compose d'une couche de chrome dur (2) déposée sur une surface de substrat (1). La couche de chrome dur (2) déposée par voie galvanique, a une bonne stabilité mécanique. Les caractéristiques de fonctionnement à

9 sec de telles couches de chrome dur (2) ne sont toutefois pas optimales de sorte que l'utilisation de telles couches pour des composants exposés à une sollicitation mécanique avec en même temps risque de fonctionnement à sec, c'est-à-dire manque d'agent lubrifiant, n'est possible que de façon très limitée. La figure 2 montre un système de couches (3, 4) déposées selon le procédé de l'invention. La surface (1) d'un substrat, par exemple d'une pièce de soupape en acier ou en un matériau fritté sera préparée après un dépôt galvanique habituel d'une couche de chrome dur, par exemple par une étape de dégraissage pour déposer une couche de chrome (3) en appliquant un courant de dépôt, pulsé. La durée de l'impulsion peut varier en fonction du substrat ou des caractéristiques souhaitées pour les couches de façon connue selon l'état de la technique. C'est ainsi que pour le dépôt, on utilisera par exemple une fréquence d'impulsions de 20 Hz pour une densité moyenne de courant de 30 A/dm2. La couche ainsi déposée a une épaisseur de couche moyenne de 50 µm et une dureté supérieure à 900 HV. Sur la couche de chrome dur (3) ainsi obtenue, après une étape de rinçage et de séchage prévue en option, on applique une couche DLC par le procédé de dépôt à la vapeur (procédé CVD). Les substrats destinés à être ainsi revêtus, sont pris du châssis utilisé pour le dépôt galvanique, pour être transférés à un support de produit permettant le dépôt par le procédé CVD. Cela est fait de préférence de manière automatique, par exemple à l'aide d'un robot industriel approprié. Les substrats revêtus de la couche de chrome dur (3), sont alors transférés par le support de produit dans une installation de dépôt chimique à la vapeur (installation CVD) dans laquelle on applique une couche DLC (4) ayant une densité de couche moyenne de 3 µm. Le système de couches (3, 4) ainsi obtenu, présente une résistance importante vis-à-vis de l'usure par abrasion ainsi qu'une bonne résilience. De plus, le système de couches (3, 4) offre une bonne propriété de fonctionnement à sec. La figure 3 montre un système de couches déposées selon le procédé de l'invention. A la surface (1) du substrat, par exemple d'un composant de soupape en acier ou en un matériau fritté, après le

i0 traitement préalable habituel d'une couche de chrome dur pour un dépôt galvanique, comme par exemple une étape de dégraissage, on dépose une première couche de chrome (5). La couche de chrome (5) se dépose en appliquant un courant continu d'une densité moyenne de courant de 20 A/dm2 jusqu'à obtenir une épaisseur de couche de 30 µm. La couche de chrome ainsi obtenue présentait une dureté de 500 HV. Sans transfert du substrat dans un autre électrolyte, on dépose une couche de chrome dur (3) sur la couche de chrome ainsi déposée en appliquant un courant de dépôt, pulsé. La durée de l'impulsion peut varier en fonction du substrat ou des caractéristiques souhaitées pour la couche de chrome dur d'une manière connue selon l'état de la technique. C'est ainsi que pour le dépôt, on règle par exemple une fréquence d'impulsion de 60 Hz pour une densité moyenne d'intensité de 70 A/dm2. La couche (3) ainsi déposée présente une épaisseur moyenne de couche de 70 µm et une dureté supérieure à 900 HV. La couche de chrome dur (3) ainsi obtenue recevra une couche DLC appliquée par un procédé de dépôt chimique à la vapeur CVD sur la couche de chrome dur (3) ainsi obtenue. Les substrats à revêtir sont pris sur un châssis utilisé pour le dépôt galvanique pour être transférés dans une installation de dépôt CVD par un support de produit approprié. Cela se fait de préférence automatiquement, par exemple à l'aide d'un robot industriel approprié. Les substrats revêtus de la couche de chrome dur (3) sont alors transférés avec le support de produit dans une installation CVD appropriée dans laquelle on applique une couche DLC (4) d'une épaisseur de couche moyenne de 3 µm. Le système de couches (3, 4) ainsi obtenu, a présenté une résistance élevée à l'usure par abrasion ainsi qu'une bonne résilience. De plus, le système de couches (3, 4) présentait de bonnes caractéristiques de fonctionnement à sec. 35

Claims

REVENDICATIONS1 °) Procédé de dépôt d'un système de couches ayant des caractéristiques de fonctionnement à sec améliorées sur la surface d'un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes de procédé suivantes : - dépôt galvanique d'une couche de chrome dur (3, 5) sur la surface supérieure d'un substrat (1) en appliquant un courant de dépôt pulsé, - application d'une couche DLC (4) sur la couche de chrome dur, déposée par dépôt galvanique en utilisant le procédé PVD ou le procédé CVD. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de chrome dur (3, 5) est déposée sur une épaisseur de couche comprise entre 0,5 µm et 300 µm. 3°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur (3, 5), on règle un courant de dépôt avec une densité moyenne de courant comprise entre 10 A/dm2 et 100 A/dm2. 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur (3), on règle une fréquence d'impulsion du courant de dépôt comprise entre 0,1 Hz et 1000 Hz. 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour le dépôt galvanique de la couche de chrome dur (3), on règle un rapport compris entre 1:1 et 1:10 et de préférence entre 1:2 et 1:5 de la densité de courant négatif et de la densité de courant positif. 256°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de couches est déposé sur une couche en acier ou en des matériaux frittés. 7°) Système de couches ayant une première couche de chrome dur (3, 5) déposée par un premier dépôt galvanique sur une surface de substrat (1), et une couche DLC (4) appliquée sur la première couche de chrome dur (3, 5), la couche de chrome dur (3, 5) ayant une épaisseur comprise entre 0,5 µm et 300 µm. 8°) Système de couches selon la revendication 7, système caractérisé en ce que la couche de chrome dur (3) a une dureté > 700 HV, de préférence une 15 dureté comprise entre >_ 750 HV et 1100 HV. 9°) Système de couches selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche DLC (4) a une épaisseur de couche comprise entre 1 gm et 20 10 µm. 10°) Application d'un système de couches selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, pour revêtir des composants de soupapes, notamment des composants de soupapes à gaz. 4 30