FR3072689A1 - Systeme et procede de formation d'un film mince lubrifiant solide sur une piece mecanique - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de formation d'un film mince lubrifiant solide comprenant le dépôt d'un matériau (3) à base de lubrifiant solide sur une zone de dépôt (11) à la surface (21) de la pièce mécanique (2), la formation d'un contact entre la pièce mécanique et un frotteur (5), au niveau d'une zone de contact située dans ladite zone de dépôt, l'application d'une charge sur le frotteur, de sorte à transmettre au moins partiellement ladite charge au matériau déposé et à la pièce mécanique au niveau de la zone de contact, et la génération d'un mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique en maintenant ladite charge, de sorte à former par frottement, à partir du matériau déposé, le film mince (1) lubrifiant solide au niveau de la zone de contact. L'invention a également pour objet un système configuré pour mettre en œuvre ledit procédé de formation.

Description

DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention est relative au domaine des traitements de surface. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de dépôt d’un film mince lubrifiant solide sur une surface d’une pièce mécanique. Elle trouvera pour application avantageuse mais non limitative le traitement de pièces mécaniques dans le but d’améliorer leurs propriétés tribologiques
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Un système mécanique comprenant des pièces mécaniques en contact et en mouvement relativement les unes aux autres nécessite généralement une lubrification pour assurer son bon fonctionnement et pour limiter une usure desdites pièces mécaniques. Pour un fonctionnement sous conditions environnementales sévères, cette lubrification se fait de préférence par l’intermédiaire de lubrifiants solides déposés sous forme de films minces sur les surfaces des pièces mécaniques destinées à être en contact.
Dans le domaine des dépôts en couche mince, il existe différents procédés physico-chimiques permettant de former ou de déposer un film mince d’un matériau sur une surface à traiter.
En particulier, les procédés de dépôt dénommés « dépôts physiques en phase vapeur ou dépôts PVD (de l’acronyme anglais « Physical Vapor Déposition ») » permettent de déposer un matériau par condensation sur la surface à traiter, à partir d’une vaporisation d’au moins une cible à base dudit matériau. Ces procédés permettent un bon contrôle de l’épaisseur du film déposé. La mise en oeuvre de ces procédés requière cependant un vide poussé ou un ultravide.
Les procédés de dépôt dénommés « dépôts chimiques en phase vapeur ou dépôts CVD (de l’acronyme anglais « Chemical Vapor Déposition ») » permettent également de déposer un matériau en couche mince sur une surface, par réaction chimique de précurseurs gazeux au niveau de ladite surface. Ces procédés permettent également un bon contrôle de l’épaisseur du film déposé. La mise en oeuvre de ces procédés requière néanmoins une atmosphère inerte ou un vide poussé. En outre, la surface est généralement chauffée à haute température de manière à activer la formation du dépôt.
Des procédés de dépôt combinant des étapes de dépôts électrolytiques et/ou des étapes de dépôt par trempage permettent d’obtenir des films minces de bonne qualité et de composition maîtrisée. Ils sont cependant coûteux et complexes à mettre en œuvre.
Des procédés de dépôt basés sur une dispersion de particules solides dans un liant appliqué sur la surface à traiter peuvent également permettre d’obtenir un film mince de matériau à base desdites particules. Cependant, ces procédés requièrent une étape de traitement thermique à haute température (pyrolyse) afin d’éliminer le liant et former le film. Le film ainsi obtenu peut comprendre des résidus carbonés résultant de la pyrolyse du liant.
Il est en outre généralement nécessaire de procéder à une étape de rodage d’un système mécanique comprenant des pièces à la surface desquelles des films minces ont été déposés selon l’un des procédés mentionnés ci-dessus.
Au contraire, des procédés de dépôt par pression mécanique existent qui permettent de s’affranchir partiellement de la nécessité d’une étape de rodage. Ces procédés opèrent par pression mécanique d’un élément de transfert préalablement enduit de particules sur la surface à traiter pour y former un film mince à base desdites particules. Le film ainsi formé présente les propriétés tribologiques requises pour une utilisation nominale de la pièce mécanique, sans qu’il soit nécessaire d’effectuer un rodage de ladite pièce. Toutefois, ces procédés ne permettent pas d’obtenir un bon contrôle en épaisseur de ce film.
Les procédés de dépôt par tonnelage, mettant en présence dans une enceinte les pièces à traiter, des sources du matériau à déposer, et éventuellement des billes augmentant le nombre d’impacts concourant à la formation d’un film mince sur les pièces, ne permettent pas d’obtenir un bon contrôle en épaisseur du film déposé.
Un objet de la présente invention est de pallier au moins l’un des inconvénients susmentionnés.
En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de formation d’un film mince lubrifiant solide à pression atmosphérique et/ou à température ambiante, avec un bon contrôle de l’épaisseur et/ou de la composition du film formé. De préférence, le procédé selon l’invention vise également à être moins coûteux que les procédés existants.
RESUME DE L’INVENTION
Un premier aspect de l’invention concerne un procédé de formation d’un film mince lubrifiant solide sur une surface d’une pièce mécanique.
Avantageusement, le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
- Déposer un matériau à base de lubrifiant solide sur au moins une partie de la surface de la pièce mécanique, dite zone de dépôt, puis
- Former un contact entre la pièce mécanique et un frotteur, au niveau d’une zone de contact située dans ladite zone de dépôt, et
- Appliquer une charge sur le frotteur, de sorte à transmettre au moins partiellement ladite charge au matériau déposé et à la pièce mécanique au niveau de la zone de contact,
- Générer un mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique comprenant au moins l’un parmi un glissement et un roulement, en maintenant ladite charge, de sorte à former par frottement, à partir du matériau déposé, le film mince lubrifiant solide au moins au niveau de la zone de contact.
La charge appliquée et le mouvement relatif généré produisent un frottement entre le frotteur, le matériau déposé et la surface de la pièce mécanique au niveau de la zone de contact. Ce frottement vise à produire au moins en partie l’énergie mécanique et thermique nécessaire pour transformer et/ou souder le matériau à base de lubrifiant solide, de sorte à former un film mince lubrifiant solide adhérent à la surface de la pièce mécanique.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de former un film mince lubrifiant solide tout en travaillant à pression atmosphérique et/ou à température ambiante.
Le procédé est donc moins complexe à mettre en oeuvre et moins coûteux que les procédés de type PVD et CVD.
Par ailleurs, la charge appliquée sur le frotteur étant maintenue lors du mouvement relatif du frotteur et de la pièce mécanique, le procédé selon l’invention permet avantageusement un bon contrôle de l’épaisseur du film formé.
En outre, grâce au maintien de la charge lors dudit mouvement relatif, le film formé ne nécessite pas d’étape de rodage ultérieure et présente immédiatement les propriétés tribologiques et/ou physiques requises pour une utilisation nominale de la pièce mécanique. De manière avantageuse, cette pièce mécanique peut donc être directement fonctionnelle au sein d’un système mécanique. Le film mince lubrifiant solide ainsi formé permet d’augmenter notamment une durée de vie de la pièce mécanique lors d’une utilisation en environnement fonctionnel sévère. Par ailleurs, un système mécanique comprenant de telles pièces mécaniques présente une efficacité et/ou un rendement énergétique amélioré(s) en environnement fonctionnel sévère (fortes contraintes mécaniques, atmosphère corrosive, vide...).
La charge appliquée au frotteur est de préférence telle que la pression moyenne exercée au niveau de la zone de contact est comprise entre 0,1 GPa et 5 Gpa, et de préférence entre 0,5 GPa et 2 GPa. Une telle gamme de pression permet avantageusement de former un film à partir de matériaux variés. Ces matériaux peuvent notamment comprendre différents lubrifiants solides conduisant à la formation d’un film composite présentant des combinaisons de propriétés tribologiques intéressantes telles qu’une réduction du frottement et une résistance à la corrosion par exemple.
Selon une possibilité préférée et avantageuse, une étape de préparation de la surface de la pièce mécanique est réalisée préalablement au dépôt du matériau à base de lubrifiant solide. Cette étape peut notamment viser à augmenter la rugosité moyenne Ra de la surface de la pièce mécanique, par abrasion ou microbillage par exemple, de sorte que : 50 nm < Ra < 2 μιτι.
Cette étape de préparation permet avantageusement d’améliorer in fine l’adhérence du film sur la surface.
Selon une possibilité, le mouvement relatif est de préférence généré de sorte que, quelle que soit la zone de contact considérée, le frotteur parcoure, en un temps déterminé, une même distance sur la zone de dépôt. La pression exercée par le frotteur est de préférence constante le long du parcours. De cette manière, chaque partie de la surface est revêtue par un film formé dans les mêmes conditions. Un tel paramétrage du mouvement relatif et/ou de la pression exercée permet en particulier de contrôler précisément l’épaisseur du film formé. Ce paramétrage permet en outre de former un film présentant des propriétés homogènes.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de formation d’un film mince lubrifiant solide sur une pièce mécanique comprenant au moins un frotteur, au moins un dispositif de dépôt de matériau à base de lubrifiant solide, et au moins un support mécanique motorisé destiné à générer un mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique, ledit système étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé de formation d’un film mince lubrifiant solide selon le premier aspect de l’invention.
Selon une possibilité, le dispositif de dépôt comprend une buse d’injection configurée pour dispenser le matériau à base de lubrifiant solide par voie humide. Le matériau peut en particulier se présenter sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide dit auxiliaire.
La concentration en microparticules et/ou nanoparticules dans le fluide auxiliaire est avantageusement maximisée au niveau de la zone de contact par capillarité. La capillarité permet alors d’assurer une alimentation continue et optimale en microparticules et/ou nanoparticules au niveau du contact avec le frotteur.
Alternativement ou en combinaison, le dispositif de dépôt comprend un applicateur configuré pour dispenser par frottement le matériau à base de lubrifiant solide. Ledit matériau se présente par exemple sous forme d’un bâtonnet dit auxiliaire. Ledit matériau peut en particulier comprendre le lubrifiant solide sous forme pure ; il peut alors être issu d’un usinage ou d’un frittage. En alternative, ledit matériau peut comprendre le lubrifiant solide noyé en forte concentration dans une matrice. Cette dernière peut par exemple comprendre un polymère thermodurcissable.
BREVE INTRODUCTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 illustre un procédé de formation d’un film mince selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 2 illustre un procédé de formation d’un film mince selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 3 illustre un procédé de formation d’un film mince selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 4 illustre différentes formes de frotteurs, de surfaces et de zones de contact mis en œuvre par un procédé de formation d’un film mince selon l’invention ;
- la figure 5 montre un système de formation d’un film mince selon un mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 6 montre un frotteur selon un mode de réalisation de l’invention ; et
- la figure 7 est un ordinogramme du procédé de formation d’un film mince selon un mode de réalisation de l’invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DETAILLEE
L’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
- l’étape de dépôt comprend l’une au moins des étapes suivantes :
o une distribution par voie humide du matériau à base de lubrifiant solide sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide volatil à température ambiante, dit fluide de dispersion, de sorte que ledit fluide de dispersion s’évapore en fin d’étape de dépôt, ladite distribution par voie humide comprenant par exemple une pulvérisation dudit matériau sur la surface à traiter, une enduction dudit matériau par pinceau ou par rouleau sur la surface à traiter, un trempage de la pièce mécanique dans ledit matériau, o une distribution par voie humide du matériau à base de lubrifiant solide sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide, dit fluide auxiliaire, ladite distribution par voie humide comprenant par exemple une injection dudit matériau, o une distribution par voie sèche du matériau à base de lubrifiant solide sous forme d’un bâtonnet solide, ledit matériau se présentant par exemple sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide noyées dans une matrice, ladite distribution par voie sèche comprenant par exemple un frottement du bâtonnet solide sur la surface de la pièce mécanique.
La distribution par voie humide avec fluide de dispersion suivie de l’évaporation de ce fluide de dispersion permet de déposer un film sec de particules solides sur l’ensemble de la zone de dépôt. La distribution par voie humide avec fluide auxiliaire permet d’alimenter la zone de contact en lubrifiant solide par capillarité. La distribution par voie sèche permet de s’affranchir d’une gestion du fluide de dispersion et/ou du fluide auxiliaire.
- le fluide de dispersion comprend un liquide très volatil présentant un point d’ébullition inférieur à la température ambiante ou voisin de la température ambiante, par exemple jusqu’à 20°C inféleur et jusqu’à 10°C supérieur à la température ambiante,
- le fluide auxiliaire comprend un liquide choisi parmi un premier groupe de liquides, dits volatils, présentant un point d’ébullition supérieur ou égal à la température ambiante, par exemple de 5°Cà 50°C supérieur à la température ambiante, et un deuxième groupe de liquides, dits peu volatils ou non volatils, présentant un point d’ébullition supérieur d’au moins 50°C à l’ambiante ;
- le premier groupe de liquides volatils comprend par exemple l’éther éthylique, l’éther de pétrole, le pentane, l’hexane, l’alcool éthylique et l’acétate d’éthyle et le deuxième groupe de liquides peu volatils comprend par exemple des hydrocarbures comme le dodécane, des huiles minérales, des huiles de synthèse ou naturelles ;
- le fluide auxiliaire comprend des additifs en faible concentration, par exemple inférieure à 1 % en masse. Un rôle de ces additifs peut être d’améliorer les propriétés de mouillage des surfaces du fluide auxiliaire. Ces propriétés de mouillage améliorées permettent notamment une meilleure dispersion des particules de matériau à base de lubrifiant solide.
- le procédé peut se poursuivre, lorsque le fluide auxiliaire est choisi parmi le deuxième groupe, par une étape de rinçage de la surface de la pièce mécanique avec un solvant volatil suite à la formation du film mince lubrifiant solide.
Les fluides auxiliaires volatils sont adaptés aux traitements courts. Les fluides auxiliaires peu volatils sont utilisés pour des traitements longs. Dans ce dernier cas, il est alors préférable de rincer la surface avec un solvant volatil suite à la formation du film mince pour éliminer le fluide auxiliaire peu ou non volatil ;
- le matériau à base de lubrifiant solide comprend un mélange de matériaux présentant des propriétés tribologiques et/ou mécaniques complémentaires.
Le procédé permet de former avantageusement à partir d’un tel matériau des films minces composites ;
- le procédé comprend en outre, avant l’étape de dépôt, une étape de préparation de la surface de la pièce mécanique, ladite étape de préparation étant configurée pour dépolir, par exemple par abrasion ou par microbillage, au moins en partie la surface de la pièce mécanique, de sorte qu’elle présente une rugosité moyenne comprise de préférence entre 50 nm et 2 μιτι.
Une telle préparation de la surface de la pièce mécanique permet d’améliorer in fine l’adhérence du film mince sur ladite surface ;
- la charge est appliquée au niveau de la zone de contact selon une direction normale à la surface de la pièce mécanique.
Cette configuration permet avantageusement de maximiser la pression exercée au niveau de la zone de contact pour une charge donnée ;
- la charge est appliquée de sorte à exercer et maintenir une pression moyenne de contact au niveau de ladite zone de contact comprise entre 0,1 GPa et 5 GPa, de préférence entre 0,5 et 2 GPa.
Une telle gamme de pression permet avantageusement de former un film à partir de matériaux à base de lubrifiant solide variés et pour une large variété de surfaces de pièces mécaniques à traiter ;
- la charge est appliquée de sorte à exercer et maintenir une pression moyenne de contact sensiblement constante au niveau de ladite zone de contact ;
- la génération du mouvement relatif est paramétrée de sorte que le frotteur passe au moins 20 fois, de préférence environ 70 fois, sur un même point de la zone de dépôt, le cas échéant le frotteur ou la pièce mécanique étant mu par mouvements successifs présentant chacun une amplitude inférieure, de préférence d’au moins un ordre de grandeur, à une dimension d’une surface de la zone de contact ;
- la génération du mouvement relatif est paramétrée de sorte que, quelle que soit la zone de contact considérée, le frotteur parcoure, en un temps déterminé, une même distance sur la zone de dépôt ;
- le mouvement relatif comprend un déplacement du frotteur selon une première direction présentant une première vitesse de déplacement, et un déplacement de la pièce mécanique selon une deuxième direction différente de la première direction, et de préférence perpendiculaire à la première direction, présentant une deuxième vitesse de déplacement, tel que les première et deuxième vitesses de déplacement diffèrent entre elles d’au moins un ordre de grandeur et sont de préférence comprises entre 1 pm.s'1 et 100 pm.s'1 pour l’une parmi les première et deuxième vitesses de déplacement et entre 1 mm.s'1 et 100 mm.s'1 pour l’autre parmi les première et deuxième vitesses de déplacement.
- le mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique comprend en outre un pivotement. De préférence, le frotteur présente un axe de révolution et le mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique comprend alors une rotation du frotteur autour de son axe de révolution. Une vitesse de rotation associée à ladite rotation du frotteur est par exemple comprise entre 1 et 100 tour.s'1 ;
- au moins l’un des paramètres parmi une aire de la zone de contact, une charge transmise par le frotteur et un paramètre du mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique, voire le cas échéant une viscosité du fluide auxiliaire, est déterminé de sorte à obtenir un frottement entre le frotteur, le matériau déposé et la pièce mécanique, ledit frottement relevant de l’un au moins parmi un régime de lubrification limite, un régime de lubrification mixte, et un régime de lubrification élastohydrodynamique pendant la formation du film. Le paramètre du mouvement relatif entre le frotteur et la pièce mécanique comprend par exemple au moins une vitesse de déplacement de l’un parmi le frotteur et la pièce mécanique ;
- le frottement relève de préférence d’un régime de lubrification limite et/ou d’un régime de lubrification mixte.
- toutes les étapes du procédé sont réalisées à température ambiante.
L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
- le système comprend un porte-outil configuré pour maintenir l’au moins un frotteur et l’au moins un dispositif de dépôt solidairement l’un de l’autre, de sorte que le mouvement de l’un entraîne un mouvement correspondant de l’autre, et pour que le dépôt dudit matériau par ledit au moins un dispositif de dépôt puisse être concomitant ou précéder un passage dudit au moins un frotteur sur la surface de la pièce mécanique ;
- le dispositif de dépôt comprend l’un parmi :
o une buse d’injection configurée pour dispenser par voie humide le matériau à base de lubrifiant solide, le matériau se présentant par exemple sous forme des unes au moins parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide, et o un applicateur configuré pour dispenser par frottement le matériau à base de lubrifiant solide, le matériau se présentant par exemple sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide noyées dans une matrice ;
- le frotteur présente une surface de frottement destinée à être en contact avec la surface de la pièce mécanique au niveau d’une zone de contact, ladite surface de frottement du frotteur présentant une rugosité moyenne inférieure ou égale à 100 nm.
Une faible rugosité de la surface de frottement du frotteur permet d’appliquer plus efficacement le matériau à base de lubrifiant solide sur la surface de la pièce mécanique. En particulier, une enduction du frotteur par le matériau après frottement est limitée ou évitée ;
- le frotteur présente une surface de frottement, destinée à être en contact avec la surface de la pièce mécanique au niveau d’une zone de contact, présentant une aire comprise entre 100 μιτι2 et 5 mm2.
Une surface de frottement quasi-ponctuelle est plus adaptée au traitement de pièces mécaniques présentant des surfaces irrégulières et/ou des petites surfaces ;
- En alternative à la caractéristique précédente, le frotteur présente une surface de frottement, destinée à être en contact avec la surface de la pièce mécanique au niveau d’une zone de contact, présentant une aire comprise entre 5 mm2 et 4 cm2.
Une surface de frottement étendue permet un traitement plus rapide de surfaces régulières, en particulier pour des surfaces planes et/ou des grandes surfaces.
- l’applicateur peut comprendre un guide destiné à contenir ledit matériau, un support configuré pour coulisser dans le guide et un actionneur configuré pour entraîner ledit support en coulissement dans le guide, de sorte que, sous l’action de l’actionneur sur ledit support, du matériau puisse être extrait du guide pour être dispensé sur la surface de la pièce mécanique, ledit actionneur comprenant par exemple l’un parmi un piston et un vérin ; et
- le frotteur peut comprendre un pion présentant une surface de frottement destinée à être en contact au niveau d’une zone de contact avec la surface de la pièce mécanique, un guide configuré pour guider en translation le pion, un support configuré pour transmettre une charge sur le pion et un actionneur configuré pour appliquer une charge audit support, de sorte que, sous l’action de l’actionneur sur ledit support, le pion puisse coulisser dans le guide et transmettre, au niveau de la zone de contact, au moins partiellement ladite charge au matériau déposé sur la surface de la pièce mécanique, ledit actionneur comprenant par exemple l’un parmi un piston et un vérin.
Dans la présente demande de brevet, l’épaisseur est prise selon une direction perpendiculaire aux surfaces des pièces mécaniques à traiter. Le film mince peut présenter une épaisseur de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par un matériau, « à base >> d’un lubrifiant solide, un matériau comprenant ce lubrifiant solide uniquement ou ce lubrifiant solide et éventuellement d’autres matériaux.
Un matériau à base de lubrifiant solide peut comprendre par exemple au moins l’un parmi :
- une dispersion dans un fluide de microparticules et/ou nanoparticules dudit lubrifiant solide, le fluide pouvant être un fluide dit de dispersion, destiné à s’évaporer rapidement après dépôt de sorte à laisser un film de particules, ou un fluide dit auxiliaire, destiné à charrier les particules vers la zone de contact.
- une matrice chargée en particules de lubrifiant solide,
- un composé de lubrifiant solide,
- un précurseur de lubrifiant solide,
- un lubrifiant solide pur.
Un lubrifiant solide présente de préférence au moins l’une des qualités suivantes :
- une capacité à former une couche superficielle très adhérente,
- une grande plasticité selon au moins une direction de sollicitation, car cette propriété est associée à une faible résistance au cisaillement, donc à un coefficient de frottement peu important dans le cadre de l’utilisation des pièces mécaniques revêtues par un tel film lubrifiant solide,
- une structure lamellaire qui permet une orientation préférentielle et un clivage facile correspondant à la faible résistance au cisaillement,
- un point de fusion élevé et un maintien de ses propriétés malgré les variations de température,
- une solubilité limitée dans les métaux,
- une inertie chimique élevée pour ne pas attaquer les surfaces et ne pas se dégrader dans les conditions environnementales d’utilisation, par exemple à haute température, sous présence d’oxygène ou sous atmosphère corrosive,
- une élasticité des films formés,
- des qualités anticorrosion,
- une constitution en particules de faible dimension, et
- une pureté suffisante pour éviter la présence de particules étrangères et plus particulièrement abrasives.
Dans le cadre de la présente invention, ce lubrifiant solide peut en particulier comprendre l’un au moins parmi : du graphite, du bisulfure de molybdène, du bisulfure de tungstène, du nitrure de bore, des oignons de carbone, des nanotubes ou nanobilles de sulfures de métaux de transition, des nanoparticules de matériaux amorphe tels que des carbonates, des thiosulfates d’alcalino terreux ou des thiosulfates de métaux de transition. Cette liste n’est cependant pas exhaustive.
Le mouvement relatif de deux corps qui se touchent peut être considéré, en tout point de leur surface de contact, comme la combinaison de trois mouvements élémentaires définis selon les modalités habituelles de la cinématique : ces mouvements élémentaires sont le glissement, le pivotement et le roulement.
Le roulement et le pivotement ne peuvent se produire que si l'un des corps est mû par rotation. En revanche, une rotation n'entraînera pas nécessairement l'existence d’un mouvement de roulement et de pivotement au niveau des surfaces de contact.
Dans le cadre théorique de la tribologie, chacun de ces trois mouvements peut être, indépendamment des deux autres, empêché par l'adhérence, ou selon les cas, freiné par le frottement.
Le procédé de formation d’un film mince selon la présente invention exploite en particulier les phénomènes de frottement.
En particulier, dans le cadre de la présente invention, le frottement entre deux corps se produit au niveau d’un contact comprenant des particules de matériau à base de lubrifiant solide et/ou un fluide auxiliaire, au moins partiellement intercalé(s) entre les surfaces de ces deux corps.
En fonction d’une proportion des particules et du fluide auxiliaire, le contact peut être dans un régime de lubrification limite et/ou dans un régime de lubrification mixte ou dans un régime de lubrification mixte et/ou dans un régime de lubrification élastohydrodynamique (EHD).
Le régime de lubrification limite correspond à un régime de lubrification dans lequel l’épaisseur du film fluide associé au fluide auxiliaire ou à la dispersion de particules dans le fluide auxiliaire est très inférieure à une dimension caractéristique des aspérités de surface et/ou des particules à déposer. En régime de lubrification limite, cette épaisseur est typiquement inférieure à 10 nm.
Le régime de lubrification mixte correspond à un régime de lubrification dans lequel l’épaisseur du film fluide associé au fluide auxiliaire ou à la dispersion de particules dans le fluide auxiliaire est de l’ordre d’une dimension caractéristique des aspérités de surface et/ou des particules à déposer. Cette épaisseur est suffisamment faible, typiquement comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques centaines de nanomètres, pour permettre des contacts solide-solide entre les deux corps par l’intermédiaire des aspérités de surface et/ou des particules.
Le régime de lubrification élastohydrodynamique (EHD) correspond à un régime de lubrification dans lequel l’épaisseur du film fluide associé au fluide auxiliaire ou à la dispersion de particules dans le fluide auxiliaire est supérieure à une dimension caractéristique des aspérités de surface et/ou des particules à déposer. Cette épaisseur est typiquement comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques micromètres. Les contacts solide-solide entre les deux corps ne sont plus permis, mais les pressions moyennes de contact sont élevées dans ce régime EHD de sorte que les surfaces des deux corps en contact sont déformées élastiquement.
Pour de faibles vitesses de déplacement et de glissement en particulier, le frottement se produit essentiellement dans les régimes de lubrification limite et/ou mixte. Un tel frottement peut dès lors générer des taux de cisaillement et des contraintes de cisaillement très importants, respectivement de l’ordre de 105 s'1 et de l’ordre de 1 GPa. Ces phénomènes de cisaillement produisent notamment des transformations physiques et/ou des transformations chimiques, appelées également réactions de tribo-chimie, intervenant, dans le cadre de l’invention, durant la formation du film mince lubrifiant solide.
Pour de grandes vitesses de déplacement et de glissement, le frottement se produit essentiellement dans le régime EHD, et peut dès lors générer un échauffement et des réactions de tribo-chimie participant, dans le cadre de l’invention, à la formation du film mince lubrifiant solide.
Ce procédé de formation peut se traduire par une forte adhérence, un accrochage, un ancrage, voire une soudure du matériau à base de lubrifiant solide sur la surface de la pièce mécanique, et/ou correspondre à des transformations de phase et des réactions chimiques conduisant à la formation du film mince lubrifiant solide.
Le film lubrifiant solide est formé à partir d’un matériau à base de lubrifiant solide tel que défini ci-dessus et comprend donc le lubrifiant solide, seul ou mélangé à d’autres matériaux ou d’autres lubrifiants solides.
Le film lubrifiant solide peut être par exemple un film dit « composite >> comprenant un mélange de particules de différents constituants, dont le lubrifiant solide ou les lubrifiants solides en mélange. Une structure de ce film composite peut correspondre à une agrégation de particules de différentes tailles et compositions, et/ou à l’apparition de nouvelles phases chimiques composées des différents éléments chimiques des constituants du mélange de particules.
L’apparition de ces nouvelles phases chimiques peut être propre aux réactions de tribo-chimie générées par le procédé selon l’invention.
Nous allons maintenant décrire l’invention en détail en regard des figures annexées.
En référence aux figures 1, 2 et 7, un premier mode de réalisation d’un procédé 100 de formation d’un film mince 1 selon l’invention comprend un dépôt 111 par voie humide de nanoparticules 3 dispersées dans un fluide auxiliaire 4a sur la surface 21 d’une pièce mécanique 2, au niveau d’une zone de dépôt 11.
Ce dépôt 111 peut être réalisé sous pression via un injecteur ou une buse d’injection 61. Le dépôt 111 peut prendre la forme d’un film fluide présentant de préférence une faible viscosité et mouillant la surface 21. Les nanoparticules 3 peuvent être projetées sur la surface 21 de façon continue ou pulsée.
Avantageusement le dépôt 111 est réalisé localement au niveau d’une zone de contact entre ladite surface 21 et un frotteur 5.
Le frotteur 5 peut présenter différentes formes détaillées par la suite.
La formation 120 du contact entre le frotteur 5 et la surface 21, au niveau de la zone de dépôt 11, conduit de préférence à la formation d’un ménisque au niveau du contact frotteur 5 - surface 21. Le fluide auxiliaire 4a peut en particulier présenter une tension de surface apte à former ce ménisque.
Les nanoparticules 3 de matériau à base de lubrifiant solide dispersées dans le fluide auxiliaire 4a peuvent être avantageusement transportées au niveau du contact par transport fluidique généré par des forces de capillarité et de tension de surface, de sorte à alimenter continûment en matériau cette zone de contact.
La dispersion de nano ou microparticules 3 dans le fluide auxiliaire 4a, dénommée simplement dispersion par la suite, présente de préférence une concentration moyenne en particules 3 comprise entre 0,1 % et 20 % en volume, de préférence entre 1 % et 5 %. Cette concentration peut augmenter significativement au niveau du contact, grâce aux effets de capillarité notamment.
Le fluide auxiliaire 4a peut comprendre un liquide volatil, dans une gamme de température comprise entre la température ambiante et une température supérieure d’environ 50 °C à la température ambiante
Le fluide auxiliaire 4a peut comprendre un liquide peu volatil ou non volatil dans une gamme de température supérieure d’au moins 50°C à la température ambiante
Un fluide auxiliaire 4a comprenant un liquide volatil est choisi de préférence pour réaliser le procédé 100 sans avoir à rincer la surface 21 en fin de traitement.
Alternativement, un fluide auxiliaire 4a comprenant un liquide peu volatil ou non volatil est choisi de préférence pour réaliser le procédé 100 avec une injection réduite de la dispersion. Ce choix de liquide peut également permettre un recyclage de la dispersion en excès.
Le fluide auxiliaire 4a peut également comprendre, de manière optionnelle, un ou plusieurs additifs solubles en faible concentration, typiquement inférieure ou égale à 1 % en masse. Ces additifs sont de préférence ajoutés au liquide peu volatil ou non volatil, de manière à améliorer par exemple un mouillage de la surface 21. Ces additifs peuvent avoir des fonctions et/ou des propriétés variées.
De façon optionnelle, la surface 21 de la pièce mécanique 2 peut être rincée 150 ou nettoyée après formation du film mince 1. Ce rinçage peut être avantageux dans le cas d’une utilisation d’un fluide auxiliaire comprenant un liquide peu volatil ou non volatil, et/ou contenant des additifs solubles, afin d’éliminer ledit liquide et/ou les molécules d’additifs. Ce rinçage peut être effectué par un solvant, de préférence volatil, par aspersion ou par trempage par exemple.
La dispersion peut en outre comprendre avantageusement plusieurs composés lubrifiants solides dispersés sous forme de microparticules ou de nanoparticules. Ces différents composés peuvent notamment présenter des propriétés tribologiques, mécaniques ou physiques complémentaires.
Selon une possibilité illustrée aux figures 3a, 3b et 3c, le dépôt 111 par voie humide peut se faire par l’intermédiaire d’un fluide de dispersion 4b.
Ce fluide de dispersion 4b est de préférence très volatil, de manière à s’évaporer rapidement pendant ou après dépôt 112.
Les nano ou microparticules 3 de matériau à base de lubrifiant solide peuvent être avantageusement dispersées de manière homogène dans le fluide de dispersion 4b (figure 3a). Après évaporation du fluide de dispersion 4b, un film 13 de particules 3 sensiblement continu peut ainsi se former au niveau de la zone de dépôt 11 (figure 3b).
La dispersion de nano ou microparticules 3 dans le fluide de dispersion 4b présente de préférence une concentration moyenne en particules 3 comprise entre 5 % et 50 % en volume.
La formation 120 du contact entre le frotteur 5 et la surface 21, au niveau de la zone de dépôt 11 se fait de préférence après évaporation du fluide de dispersion 4b (figure 3c).
Le frotteur 5 peut être mis en mouvement sur le film 13 de particules 3 partiellement ou totalement sec (figure 3c).
Cette possibilité de mise en œuvre du procédé 100 peut également être combinée avec une injection de fluide auxiliaire 4a, après évaporation totale ou partielle du fluide de dispersion 4b, au niveau du frotteur 5.
Le frotteur 5 est de préférence constitué d’un matériau dur tel qu’un acier traité ou un carbure de tungstène. La surface du frotteur 5, destinée à être en contact de la surface 21 de la pièce mécanique 2, peut être avantageusement polie de sorte à présenter une faible rugosité, par exemple une rugosité moyenne inférieure ou égale à 100 nm. Cette faible rugosité permet notamment de limiter une adhérence des nano ou microparticules 3 au niveau du frotteur 5.
Une charge est appliquée 130 au frotteur 5, de préférence selon une direction normale à la surface 21, de manière à obtenir une pression moyenne de contact au niveau de la zone de contact. La charge appliquée est matérialisée sur les figures correspondantes par une flèche creuse.
Cette pression moyenne de contact peut être avantageusement comprise entre 0,5 GPa et 2 GPa de sorte à engendrer, en combinaison avec un mouvement relatif du frotteur 5 et de la pièce 2 en contact, des taux de cisaillement et/ou des contraintes de cisaillement suffisants dans l’interface de glissement contenant des nano ou microparticules 3 déposées pour former un film mince 1 à partir desdites particules 3.
Un mouvement relatif entre le frotteur 5 et la pièce mécanique 2 est généré 140 par exemple par une rotation de la pièce mécanique 2 combinée à une translation du frotteur 5, tel qu’illustré à la figure 1. Les déplacements du frotteur 5 et de la pièce 2 générant ce mouvement relatif sont matérialisés sur les figures correspondantes par une flèche pleine.
La translation s’effectue de préférence selon une direction radiale, depuis le centre de la rotation vers une périphérie de la pièce mécanique 2. La translation peut s’effectuer par glissement ou par roulement.
La charge appliquée est avantageusement maintenue constante pendant ce mouvement relatif de manière à créer un frottement lubrifié en régime de lubrification limite ou mixte.
Par exemple, pour un frotteur 5 sous forme de bille de 10 mm de diamètre tel qu’illustré à la figure 1, une charge normale de 10 N peut être appliquée 130.
Afin d’entretenir ce régime de lubrification limite ou mixte favorable à la formation du film mince 1, la translation peut présenter une faible vitesse de déplacement comprise entre 1 μιτι.s'1 et 100 μιτι.s'1, tandis que la rotation présente une vitesse tangentielle au niveau du contact entre le frotteur 5 et la pièce 2 comprise par exemple entre 1 mm.s'1 et 100 mm.s'1.
Cette combinaison entre une translation dite « lente >> et une rotation dite « rapide >> permet en outre de passer plusieurs fois, de préférence plusieurs dizaines de fois, le frotteur 5 sur la zone de dépôt 11 avec un bon recouvrement entre une première zone de contact liée à un premier passage et une énième zone de contact liée à un énième passage.
Selon une possibilité particulièrement avantageuse, la vitesse de rotation est variable durant le procédé 100. En particulier, celle-ci peut être ajustée de façon à maintenir une vitesse tangentielle constante au niveau de la zone de contact. Dès lors, chaque point de la zone de dépôt 11 et/ou de la surface 21 est traité selon un même temps de frottement. Le film mince 1 obtenu par le procédé 100 à l’issue d’un tel temps de frottement est équivalent en tout point de la surface 21. Le film mince 1 est ainsi avantageusement homogène en épaisseur et en propriétés physiques.
De façon avantageuse, le film mince 1 peut être un film composite formé à partir de différents composés lubrifiants solides et/ou présentant des propriétés complémentaires, de sorte à réduire un coefficient de frottement et/ou d’usure du film, tout en augmentant l’adhérence et/ou la densité dudit film par exemple.
De façon avantageuse mais néanmoins optionnelle, la surface 21 de la pièce mécanique 2 à traiter est dépolie 109 préalablement au dépôt 110 des nanoparticules 3. La pièce mécanique 2 ainsi dépolie, par abrasion, rodage ou microbillage par exemple, présente dès lors une rugosité plus élevée. Cette rugosité, comprise de préférence entre 50 nm et 2 pm, permet d’améliorer l’adhérence du film mince 1 sur la surface 21.
Selon une possibilité illustrée à la figure 2, le frotteur 5 est un cylindre animé d’un mouvement comprenant un roulement sur la surface 21 de la pièce mécanique 2 à traiter. Dans le cas où la pièce mécanique 2 est cylindrique ou présente un axe de rotation longitudinal, le cylindre-frotteur 5 se déplace de préférence parallèlement à cet axe de rotation.
Le frotteur 5 peut alternativement présenter différentes géométries illustrées à titre d’exemple et de manière non exhaustive à la figure 6, en fonction des surfaces 21 et des différentes pièces mécaniques 2 à traiter.
La première colonne du tableau de la figure 6 montre le frotteur 5 seul. La deuxième colonne de ce tableau montre un exemple de coopération entre le frotteur 5 et la surface 21 d’une pièce mécanique 2. La troisième colonne de ce tableau montre la zone de contact 12 résultant de cette coopération.
Les première et deuxième lignes montrent un frotteur 5 respectivement totalement ou partiellement sphérique, sous forme de bille et de pion par exemple. Un tel frotteur 5 coopérant par contact avec une surface 21 plane forme une zone de contact 12 quasi-ponctuelle, de forme circulaire ou ovoïde.
Une telle zone de contact 12 quasi-ponctuelle peut présenter une dimension principale ou un diamètre de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres, typiquement 100 à 200 micromètres, en fonction de la courbure du frotteur 5, du matériau de construction du frotteur 5, et de la charge appliquée.
Cette zone de contact 12 quasi-ponctuelle est adaptée au traitement de petites surfaces 21, ou au traitement de surfaces 21 complexes présentant différentes courbures.
Les troisième et quatrième lignes montrent un frotteur 5 sous forme de rouleau. Un tel frotteur 5 coopérant par contact avec une surface 21 forme une zone de contact 12 étendue, de forme sensiblement rectangulaire.
Une telle zone de contact 12 étendue peut présenter une dimension en longueur de l’ordre de quelques millimètres à une dizaine de centimètres, et une dimension en largeur de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres, typiquement 100 à 200 micromètres, en fonction de la courbure du frotteur 5, du matériau de construction du frotteur 5, et de la charge appliquée.
Cette zone de contact 12 étendue est adaptée au traitement de grandes surfaces 21, ou au traitement de surfaces 21 présentant une courbure uniforme.
La cinquième ligne montre un frotteur 5 présentant une forme spécifiquement adaptée à la surface 21 à traiter. Un tel frotteur 5 coopérant par contact avec ladite surface 21 forme une zone de contact 12 étendue, de forme sensiblement carrée ou rectangulaire par exemple.
Une telle zone de contact 12 étendue peut présenter des dimensions en longueur et en largeur de l’ordre de quelques millimètres à quelques centimètres, en fonction du matériau de construction du frotteur 5, et de la charge appliquée.
Cette zone de contact 12 étendue est adaptée spécifiquement au traitement d’un type de pièces mécaniques 2.
En référence aux figures 4, 5 et 7, un deuxième mode de réalisation d’un procédé 100 selon l’invention comprend un dépôt 112 de matériau 3 par voie sèche.
Seules les caractéristiques distinctes du premier mode de réalisation sont décrites ci-après, les autres caractéristiques non décrites étant réputées identiques à celles du premier mode de réalisation.
Le dépôt 112 peut être réalisé via un applicateur 62 tel qu’illustré à la figure 4. Cet applicateur 62 comprend avantageusement un bâtonnet auxiliaire solide constitué au moins partiellement du matériau 3 à base de lubrifiant solide. Ce bâtonnet auxiliaire présente une extrémité destinée à être en contact avec la surface 21.
Un frottement est généré entre l’extrémité du bâtonnet et la surface 21, de sorte à déposer 112 le matériau 3 dans la zone de dépôt 11 à proximité du frotteur 5.
Le matériau 3 est déposé 112 lors de l’usure progressive du bâtonnet auxiliaire.
L’applicateur 62 est avantageusement placé à proximité du frotteur 5, en amont du passage dudit frotteur 5, de sorte à ce que le frotteur 5 passe sur le matériau 3 ainsi déposé.
Une charge est de préférence appliquée au bâtonnet auxiliaire de manière à maintenir le contact entre ledit bâtonnet et la surface 21, et à augmenter l’efficacité du dépôt 112.
L’applicateur 62 est de préférence solidaire du frotteur 5. Dès lors, l’applicateur 62 et le bâtonnet auxiliaire sont mus selon le même mouvement que le frotteur 5.
Le bâtonnet auxiliaire peut être animé d’un mouvement additionnel de pivotement, de manière à optimiser le dépôt 112 du matériau 3. Ce pivotement permet notamment de répartir l’usure du bâtonnet lors du frottement, de sorte à conserver une surface plane au niveau de l’extrémité du bâtonnet. Cette surface sensiblement constante permet d’homogénéiser le dépôt 112 par voie sèche du matériau 3 à base de lubrifiant solide.
Le bâtonnet auxiliaire peut être constitué uniquement du lubrifiant solide. Un tel bâtonnet peut être obtenu par exemple par usinage d’un bloc macroscopique dudit lubrifiant solide, ou par frittage de particules de ce lubrifiant solide.
Selon une possibilité alternative, le bâtonnet auxiliaire peut comprendre des microparticules ou des nanoparticules de lubrifiant solide incluses dans une matrice.
Ce bâtonnet présente de préférence une forte concentration desdites microparticules ou nanoparticules, par exemple supérieure à 50 % en poids, au sein de la matrice.
Cette matrice peut être par exemple un polymère thermodurcissable ou une résine.
Un tel bâtonnet comprenant des inclusions de particules de lubrifiant solide dans une matrice organique peut être utilisé directement pour le dépôt 112, ou pyrolisé préalablement au dépôt 112 de sorte à graphitiser ladite matrice.
Les technologies de frittage de micro ou nanoparticules, ou d’inclusion de ces particules en résine polymérique avec ou sans pyrolyse permettent avantageusement une association dans le même bâtonnet auxiliaire de plusieurs types de matériaux présentant par exemple des propriétés tribologiques et mécaniques complémentaires.
Après dépôt 112 du matériau 3 par voie sèche, le film mince 1 est formé par frottement lors du mouvement relatif entre le frotteur 5 et la pièce mécanique 2 au niveau de la zone de contact 12 dans la zone de dépôt 11.
Selon une possibilité avantageuse mais uniquement optionnelle illustrée à la figure 5, un dépôt 111 peut être réalisé par injection d’une dispersion de particules 3 dans le fluide auxiliaire 4a au niveau de la zone de contact 12 en complément du dépôt 112 réalisé par le bâtonnet auxiliaire. Le dépôt 110 est dès lors réalisé de manière hybride, par voie sèche et par voie humide. La complémentarité des voies sèche et humide permet avantageusement d’optimiser le dépôt 110 de matériau 3 à base de lubrifiant solide.
Selon autre une possibilité avantageuse mais uniquement optionnelle, un fluide auxiliaire 4a peut être injecté au niveau de la zone de contact 12, en complément du dépôt 112 réalisé par le bâtonnet auxiliaire.
Le fluide auxiliaire 4a est de préférence injecté seul, sans particules 3.
L’injection du fluide auxiliaire 4a peut être faite en une seule fois au début du traitement. Alternativement, l’injection du fluide auxiliaire 4a peut être faite de façon continue ou de façon pulsée pendant toute la durée du traitement.
Un rôle du fluide auxiliaire 4a est de maintenir les particules 3 qui se détachent de la surface 21 au voisinage du contact, par capillarité, et permettre ainsi une réinsertion de ces particules 3 dans la zone de contact pour participer à la formation du film mince 1.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de formation 10 d’un film mince 1 lubrifiant solide sur une pièce mécanique 2 configuré pour mettre en oeuvre le procédé 100.
En référence aux figures 1,2, 3a-c, 4 et 5, un tel système 10 comprend au moins un dispositif de dépôt 6 du matériau 3 à base de lubrifiant solide et au moins un frotteur 5.
Le dispositif de dépôt 6 peut être pris parmi un injecteur 61 et un applicateur 62.
L’injecteur 61 est configuré pour déposer 111 par projection le matériau 3 à partir d’une dispersion de particules 3 dans un fluide auxiliaire 4a. Il projette de préférence la dispersion en direction de la zone de contact 12, par exemple en pressurisant la dispersion sous une pression comprise entre 1 bar et 4 bar.
L’applicateur 62 est configuré pour déposer 112 par frottement le matériau 3 à partir d’un bâtonnet auxiliaire solide. Il est de préférence situé à proximité immédiate du frotteur 5, de manière à déposer le matériau 3 localement près de la zone de contact 12.
L’applicateur 62 peut comprendre un guide 621 configuré pour guider en translation le bâtonnet auxiliaire, et un actionneur 623 configuré pour appliquer une charge sur le bâtonnet auxiliaire. Il peut également être muni d’un ressort de rappel 622 configuré pour maintenir le contact entre le bâtonnet auxiliaire et la surface 21.
Avantageusement, sous l’action de l’actionneur 623, le bâtonnet auxiliaire coulisse dans le guide 621 et frotte sur la surface 21 de manière à déposer le matériau 3.
Le frotteur 5 peut comprendre un pion 52 par exemple hémisphérique au niveau d’une surface de frottement destinée à être en contact avec la surface de la pièce mécanique 2.
Le frotteur 5 peut comprendre un guide 53 configuré pour guider en translation le pion 52, et un actionneur 55 configuré pour appliquer une charge sur le pion 52.
Avantageusement, sous l’action de l’actionneur 55, le pion 52 coulisse en étant guidé par le guide 53 et transmet, au niveau de la zone de contact 12, au moins partiellement ladite charge au matériau 3 déposé sur la surface 21 de la pièce mécanique 2.
L’actionneur 55 est configuré pour appliquer une charge telle que la pression exercée au niveau de la zone de contact soit comprise entre 0,1 GPa et 5 GPa, de préférence entre 0,5 GPa et 2 GPa.
L’actionneur 55 peut comprendre par exemple un piston et un système pesant ou un vérin.
Le frotteur 5 peut également comprendre un porte-pion configuré pour maintenir le pion 52 et agencé entre l’actionneur 55 et le pion 52. Ce porte-pion intermédiaire transmet la charge au pion 52 et permet par exemple de changer de pion 52 en cas d’usure ou pour monter un autre type de pion 52 en fonction des besoins.
Le frotteur 5 peut également être muni d’un ressort de rappel 53 configuré pour maintenir le contact entre le pion 52 ou le porte-pion et la surface 21, en amortissant éventuellement des défauts de planéité de la surface 21 et/ou des variations d’épaisseur du film 1 en cours de formation.
Le système 10 comprend en outre avantageusement au moins un support 71, 72 mécanique motorisé destiné à générer un mouvement relatif entre le frotteur 5 et la pièce mécanique 2.
Ce support 71, 72 peut notamment comprendre un bras 71 et un support de pièce 72.
Le bras 71 est de préférence configuré pour maintenir solidairement le dispositif de dépôt 6 et le frotteur 5 à proximité l’un de l’autre. Il peut être animé d’un mouvement rectiligne uniforme présentant une vitesse de déplacement comprise entre 1 pm.s'1 et 100 pm.s'1.
Le support de pièce 72 est de préférence configuré pour maintenir et pour entraîner la pièce mécanique 2.
Ce support 72 peut être par exemple un tour équipé de mors destinés à maintenir la pièce mécanique 2.
La pièce mécanique 2 peut ainsi être mise en rotation, de préférence selon une vitesse de rotation permettant d’obtenir une vitesse tangentielle de la surface 21 à traiter comprise entre 1 mm.s'1 et 100 mm.s'1, de sorte à générer au moins en partie le mouvement relatif, en coopération avec le mouvement rectiligne uniforme du bras 71 par exemple.
De manière avantageuse, le système 10 permet ainsi de déposer le matériau 3 sur la surface 21 de la pièce mécanique 2, d’appliquer une charge au matériau 3 par un frotteur 5 et de générer un mouvement relatif entre le frotteur 5 et la pièce mécanique 2, de sorte à former par frottement un film mince 1 à partir du matériau 3 sur la surface 21.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s’étend à tous modes de réalisation entrant dans la portée des revendications.

Claims (17)

  1. REFERENCES
    1. Film mince
    11. Zone de dépôt
    12. Zone de contact
    13. Film de particules
  2. 2. Pièce mécanique
    21. Surface de la pièce mécanique
  3. 3. Matériau à base de lubrifiant solide
  4. 4a. Fluide auxiliaire
    4b. Fluide de dispersion
  5. 5. Frotteur
    52. Pion
    53. Guide du frotteur
    54. Ressort de rappel du frotteur
    55. Actionneur du frotteur
  6. 6. Dispositif de dépôt
    61. Buse d’injection, injecteur
    62. Applicateur
    621. Guide de l’applicateur
    622. Ressort de rappel de l’applicateur
    623. Actionneur de l’applicateur
    71,72. Support mécanique motorisé
    10. Système
    100. Procédé de formation d’un film mince
    109. Préparation de la surface
    110. Dépôt du matériau
    111. Dépôt du matériau par voie humide
    112. Dépôt du matériau par voie sèche
    120. Formation du contact
    130. Application d’une charge
    140. Génération d’un mouvement relatif
    150. Rinçage de la surface
    REVENDICATIONS
    1. Procédé de formation (100) d’un film mince (1) lubrifiant solide sur une surface (21) d’une pièce mécanique (2), caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes suivantes :
    - Déposer (110) un matériau (3) à base de lubrifiant solide sur au moins une partie de la surface (21) de la pièce mécanique, dite zone de dépôt (11), puis
    - Former (120) un contact entre la pièce mécanique (2) et un frotteur (5), au niveau d’une zone de contact (12) située dans ladite zone de dépôt (11), et
    - Appliquer (130) une charge sur le frotteur (5), de sorte à transmettre au moins partiellement ladite charge au matériau (3) déposé et à la pièce mécanique (2) au niveau de la zone de contact (12),
    - Générer (140) un mouvement relatif entre le frotteur (5) et la pièce mécanique (2) comprenant au moins l’un parmi un glissement et un roulement, en maintenant ladite charge, de sorte à former par frottement, à partir du matériau (3) déposé, le film mince (1 ) lubrifiant solide au moins au niveau de la zone de contact (12).
    2. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de dépôt (110) comprend l’une au moins des étapes suivantes :
    - une distribution par voie humide (111) du matériau (3) à base de lubrifiant solide sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide (4b) volatil à température ambiante, dit fluide de dispersion, de sorte que ledit fluide de dispersion (4b) s’évapore en fin d’étape de dépôt (110),
    - une distribution par voie humide (111) du matériau (3) à base de lubrifiant solide sous forme des unes au moins parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide (4a), dit fluide auxiliaire,
    - une distribution par voie sèche (112) du matériau (3) à base de lubrifiant solide sous forme d’un bâtonnet solide, ledit matériau (3) se présentant par exemple sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide noyées dans une matrice.
    3. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel le fluide auxiliaire (4a) comprend un liquide choisi parmi un premier groupe de liquides, dits volatils, présentant un point d’ébullition supérieur ou égal à la température ambiante, par exemple de 5°C à 50°C su|ærieur à la température ambiante, et un deuxième groupe de liquides, dits peu volatils ou non volatils, présentant un point d’ébullition supérieur d’au moins 50°C à l’ambiante, le procédé (100) se poursuivant de préférence, lorsque le liquide du fluide auxiliaire (4a) est choisi parmi le deuxième groupe, par une étape de rinçage (150) de la surface (21) de la pièce mécanique (1) avec un solvant volatil suite à la formation (100) du film mince (1 ) lubrifiant solide.
    4. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, avant l’étape de dépôt (110), une étape de préparation (109) de la surface (21) de la pièce mécanique (2), ladite étape de préparation étant configurée pour dépolir au moins en partie la surface (21) de la pièce mécanique (2), de sorte qu’elle présente une rugosité moyenne comprise de préférence entre 50 nm et 2 μιτι.
    5. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge est appliquée au niveau de la zone de contact (12) selon une direction normale à la surface (21) de la pièce mécanique (2).
    6. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge est appliquée de sorte à exercer et maintenir une pression moyenne de contact au niveau de ladite zone de contact (12) comprise entre 0,1 GPa et 5 GPa, et de préférence entre 0,5 GPa et 2 GPa.
  7. 7. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la génération (140) du mouvement relatif est paramétrée de sorte que le frotteur (5) passe au moins 20 fois, de préférence environ 70 fois, sur un même point de la zone de dépôt (11), le cas échéant l’un au moins parmi le frotteur (5) et la pièce mécanique (2) étant mu par mouvements successifs présentant chacun une amplitude inférieure, de préférence d’au moins un ordre de grandeur, à une dimension d’une surface de la zone de contact (12).
  8. 8. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la génération (140) du mouvement relatif est paramétrée de sorte que, quelle que soit la zone de contact (12) considérée, le frotteur (5) parcoure, en un temps déterminé, une même distance sur la zone de dépôt (11).
  9. 9. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel le mouvement relatif comprend un déplacement du frotteur (5) selon une première direction présentant une première vitesse de déplacement, et un déplacement de la pièce mécanique (2) selon une deuxième direction différente de la première direction, et de préférence perpendiculaire à la première direction, présentant une deuxième vitesse de déplacement, tel que les première et deuxième vitesses de déplacement diffèrent entre elles d’au moins un ordre de grandeur et sont de préférence comprises entre 1 pm.s'1 et 100 pm.s'1 pour l’une et entre 1 mm.s'1 et 100 mm.s'1 pour l’autre.
  10. 10. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau (3) à base de lubrifiant solide comprend un mélange de matériaux présentant des propriétés tribologiques et/ou mécaniques complémentaires.
  11. 11. Système de formation (10) d’un film mince (1) lubrifiant solide sur une pièce mécanique (2) comprenant au moins un frotteur (5), au moins un dispositif de dépôt (6) de matériau (3) à base de lubrifiant solide, et au moins un support (71, 72) mécanique motorisé destiné à générer un mouvement relatif entre le frotteur (5) et la pièce mécanique (2), ledit système (10) étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé de formation (100) d’un film mince (1) lubrifiant solide selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  12. 12. Système (10) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de dépôt (6) comprend l’un parmi :
    - une buse d’injection (61) configurée pour dispenser par voie humide le matériau (3) à base de lubrifiant solide, le matériau se présentant par exemple sous forme des unes au moins parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide dispersées dans un fluide (4a, 4b), et
    - un applicateur (62) configuré pour dispenser par frottement le matériau (3) à base de lubrifiant solide, le matériau se présentant par exemple sous au moins une forme prise parmi des microparticules et des nanoparticules du lubrifiant solide noyées dans une matrice.
  13. 13. Système (10) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel le frotteur (5) présente une surface de frottement destinée à être en contact avec la surface (21) de la pièce mécanique (2) au niveau d’une zone de contact (12), ladite surface de frottement du frotteur (5) présentant une rugosité moyenne inférieure ou égale à 100 nm.
  14. 14. Système (10) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel le frotteur (5) présente une surface de frottement, destinée à être en contact avec la surface (21) de la pièce mécanique (1) au niveau d’une zone de contact (12), présentant une aire comprise entre 100 pm2 et 5 mm2.
  15. 15. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel le frotteur (5) présente une surface de frottement, destinée à être en contact avec la surface (21) de la pièce mécanique (2) au niveau d’une zone de contact (12), présentant une aire comprise entre 5 mm2 et 4 cm2.
  16. 16. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 11 à 15, dans lequel l’applicateur (62) comprend un guide (621) destiné à contenir ledit matériau (3), un support configuré pour coulisser dans le guide et un actionneur (623) configuré pour entraîner ledit support en coulissement dans le guide (621), de sorte que, sous l’action de l’actionneur (623) sur ledit support, du matériau (3) puisse être extrait du guide (621) pour être dispensé sur la surface (21) de la pièce mécanique (2).
  17. 17. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 11 à 16, dans lequel le frotteur (5) comprend un pion (52) présentant une surface de frottement destinée à être en contact au niveau d’une zone de contact (12) avec la surface (21) de la pièce mécanique (2), un guide (53) configuré pour guider en translation le pion (52), un support configuré pour transmettre une charge sur le pion (52) et un actionneur (55) configuré pour appliquer une charge audit support, de sorte que, sous l’action de l’actionneur (55) sur ledit support, le pion (52) puisse coulisser dans le guide (53) et transmettre, au niveau de la zone de contact (12), au moins partiellement ladite charge au matériau (3) déposé sur la surface (21) de la pièce mécanique (2).
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