WO2002010463A1 - Procede mecanique de generation de nanostructures et dispositif mecanique de generation de nanostructures - Google Patents

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

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WO2002010463A1
WO2002010463A1 PCT/FR2001/002483 FR0102483W WO0210463A1 WO 2002010463 A1 WO2002010463 A1 WO 2002010463A1 FR 0102483 W FR0102483 W FR 0102483W WO 0210463 A1 WO0210463 A1 WO 0210463A1
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nanostructures
generating
determined
balls
treated
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PCT/FR2001/002483
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Jian Lu
Ke Lu
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Universite De Technologie De Troyes
The Institue Of Metal Research (I.M.R.)
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00—Treatment for obtaining particular effects
    • C21D2201/03—Amorphous or microcrystalline structure

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical process for generating nanostructures on metal parts and a mechanical device for generating nanostructures.
  • Nanocrystalline materials are characterized by typically ultra fine grains of less than .100 nm in at least one dimension. These materials are produced by known methods such as, for example, IGC (inert gas condensation and consolidation) by condensation and consolidation in an inert gas, SPD (severe plastic deformation) intense plastic deformation, etc. These methods have the disadvantage to generate materials which are not without porosity, contamination and of sufficient size for industrial applications.
  • the aim of the process of the invention is to create a layer of this same material on the surface of the material, having component grains of a few tens of nanometers forming what is commonly called a layer of nanoscale microstructures or nanostructures.
  • Shot peening of the surface of a material for example metallic, consists in projecting on this surface projectiles, for example balls, of small dimension, at speeds of between 5 and 100 m / s.
  • the balls are projected using a jet of compressed air.
  • the balls are not immediately reused and pass through a recycling device before replenishing the jet lance or the absence of a process recycling device requires a large quantity of balls.
  • each incident jet on the part is unidirectional at a determined angle for a given surface.
  • continuous workpiece scanning is required during shot blasting to obtain a homogeneous surface.
  • the results obtained show that the surface of the treated part comprises little or no nanostructures.
  • the only advantage of the conventional shot-blasting process is that it is possible to obtain higher ball speeds than in the projection of balls by ultrasound. Indeed, the projection of balls by ultrasound makes it possible to obtain ball speeds between 5 and 20m / s, while shot peening by pneumatic gun makes it possible to obtain ball speeds between 10 and 100m / s.
  • the displacement speeds envisaged in this patent application are only a few tens of centimeters per second and the amplitudes of the transmitter of 100 ⁇ m.
  • the known operating mode does not allow a layer to be created without obtaining a nanometric structure over a significant depth.
  • the present invention therefore aims to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a process for generating nanostructures making it possible to obtain a layer of nanostructures over a determined thickness of the surface of a part to be treated by a mechanical device using a limited quantity of beads in a closed volume.
  • This process is also called surface nanocrystallization by ball milling.
  • This first object is achieved by a mechanical process of nanostructures to obtain on a surface of a metal part a layer of nanostructures of defined thickness characterized in that it comprises:
  • the speed of the circular movement and the frequency and amplitude of the vibratory movement being determined as a function of the physical characteristics of the balls to communicate to them a kinetic energy sufficient for the creation of nanostructures on the material of the part to be treated.
  • Another object of the invention consists in proposing a mechanical device for generating nanostructures making it possible to obtain a layer of nanostructures over a thickness determined by a mechanical device using a limited quantity of beads in a closed volume.
  • This object is achieved thanks to the mechanical device for generating nanostructures on a metal part comprising at least one closed enclosure for the size of the beads containing a determined quantity of perfectly spherical beads of determined size, a means of connecting the enclosure to means generating a vibration communicated to the enclosure, the enclosure assembly, vibration means being mounted by damping means (31) on a turntable (30) with a determined speed.
  • FIG. 2A shows in section an alternative embodiment of the invention with application of constraints
  • FIG. 2B shows in section a top view of the wedge used in the alternative embodiment of the invention with application of constraints;
  • FIG. 4A and 4B show the curve representing the rate and penetration of nitrogen during a treatment by ionic nitriding in a part treated according to the mechanical process of generation of nanostrutures according to the invention, respectively for a temperature of 550 and 350 ° C.
  • the principle of the invention is to carry out a treatment of the surface of a metal part in order, on the one hand to modify the mechanical characteristics of the metal part, and on the other hand to modify the properties of diffusion in the surface layer of the treated surface.
  • the mechanical properties of nanoscale microstructures or of nanostructure are well known.
  • current research aims to develop manufacturing processes allowing parts to be obtained which consist solely of nanostructures.
  • the object of the invention is quite different, it consists, by means of a process for generating nanostructures (described later) to produce a surface layer of nanostructures giving, the surface of the part, the properties, for example mechanical properties desired, this being sufficient to guarantee the properties targeted for the part (resistance to fatigue, wear, friction, corrosion).
  • the size of the metal grains on the surface of the part must be reduced. Initially, for a part, for example made of pure iron, the grains have a dimension of the order of 100 ⁇ m. At the end of the treatment according to the invention, the size of the grains is no more than of the order of a few tens of nanometers.
  • Figure 1 shows a diagram of a mechanical device for generating nanostrutures by ball milling.
  • the principle of generation of nanostructures by ball milling according to FIG. 1, is to put a determined quantity of perfectly spherical balls (22) in motion and determined speed to communicate kinetic energy to them allowing them to go and impact. at the same point on the surface to be treated at varying angles of incidence and sufficient energy to create nanostructures.
  • the balls (22) chosen to strike the surface (10) to be treated are perfectly spherical and of high quality.
  • the balls (22) chosen are ball bearing balls. Given their quality, their use is carried out in a determined quantity.
  • the use of perfectly spherical steel, green or ceramic balls (22) avoids the localized accumulation of stresses which, upon impact of the ball, would damage the material. This perfect sphericity therefore makes it possible to generate plastic deformation of the surface of the material during the process of forming the layer of nanostructures. The repetition of multidirectional plastic deformations then leads to a fractionation of the grains of the metal or of the alloy of the part to be treated and therefore a reduction in their sizes.
  • An embodiment of the invention shown in Figure 1 consists of an arm or tray (32) carrying at least one end a bowl, in this case in the figure two bowls are shown at two ends of the arm (32).
  • This arm (32) is linked to a structure (35) comprising a non-visible motor driving an axis (33) on which is mounted an inertial part (34) consisting, for example, of a mass in the form of a circular sector (34 ).
  • the motor driving the axis (33) gives this inertial mass a speed V which, taking into account the asymmetry, will generate within the structure (35) a vibration which is communicated by its connection with the arm (32). This vibration is transmitted by the arm (32) to each bowl (20a, 20b).
  • This structure consisting of the arm of the inertial system and at least one bowl is mounted on one or more damping means (31a, 31b), in this case, in the exemplary embodiment, damping means are arranged below each of the bowls so as to give symmetry of movement and thus more easily control the vibrations generated.
  • damping means (31a, 31b) are supported by a plate (30), which is actuated in a rotary movement in a direction by means of rotation drive not shown.
  • the vibratory movement communicated by the inertial system (33, 34, 35) or bowls (20a, 20b) is of direction substantially perpendicular to the plane of the plate or in other words, parallel to the axis of rotation of the plate.
  • the frequency of the vibrations as well as the amplitude of these vibrations are adapted as a function of the speed of rotation of the plate, so as to communicate to the balls a determined speed allowing them to acquire sufficient kinetic energy for the creation of nanostructures.
  • the balls (22) derive their energy from the movement of the bowl and will strike the surface of the part (10) a large number of times according to variable and multiple angles of incidence, creating at each impact a plastic deformation of the grains formed, of an agglomerate of matter or alloy molecules.
  • the ball having lost its energy in contact with the part (10) falls on the walls of the bowl (20) to acquire a new speed in a direction which, seen from the part, seems random but determined by physical laws.
  • the bowl (20) can be closed, either by the part (10a) which then constitutes a cover for the bowl, or by a cover (203a, 203b) on which the part (10a) is fixed.
  • This last variant allows to realize in the enclosure closed constituted by the bowl (20a respectively 20b) and its associated cover (203a respectively 203b) an orifice (204a respectively 204b) making it possible to create a vacuum inside this enclosure to promote the movement of the balls.
  • the enclosure is perceived as closed for the sizes of the balls.
  • the inertial system (33, 34, 35) can be replaced by a sonotrode communicating to the arm (32) a vibration of sufficient amplitude and frequency.
  • a sonotrode communicating to the arm (32) a vibration of sufficient amplitude and frequency.
  • the surface to be treated can be put under mechanical stress, for example by clamping the part (10) with suitable gripping means (21).
  • gripping means are, for example, constituted by a sole (21.2) on which are mounted clamps (21.1) to clamp the part against a protective wedge (21.3) interposed between the part (10) and the sole (21.2) ).
  • a rod (21.4) passing through the holes (21.21 and 21.31) of the sole (21.2) and the shim (21.3) applies a force to the part (10) retained by the flanges (21.1).
  • the pressure force can be obtained by threading the rod 21.4 and screwing it into a threaded hole (21.21) formed in the sole (21.2).
  • the invention is not limited to the embodiments described but includes any mode for applying mechanical stresses in one or more places in a part.
  • several rods can be provided to apply different stresses in several places to obtain different thicknesses of nanostructures proportional to the value of the stresses applied at the respective points.
  • traction means on each of the ends of the part make it possible to stress it.
  • These means consist, for example, of an upper plate (31) and a lower plate (32) kept spaced apart by an adjustable distance by three tie rods (33) arranged at 120 ° and stressing the ends of the part in traction. made integral with each tray.
  • the part can, for example, pass through each plate through orifices and come to bear against the surface of each plate facing outwards by means of rings forming shoulders and made integral with the ends of the part by a transverse locking screw. to the ring.
  • the plates, in particular that (32) oriented towards the projectile emission zone, are provided, as shown in FIG.
  • the applied stress may be thermal.
  • the surface to be treated is heated, either entirely to obtain a uniform thickness of nanocrystalline structures over the entire surface of the part subjected to the bombardment of beads, or locally to obtain variations in thickness of nanocrystalline structures.
  • radiant or conduction heating means are installed in the bowl or on the workpiece or in the machine's acoustic enclosure.
  • Nanostructures are then obtained over a thickness of several hundred microns.
  • the increase in the thickness of the nanostructure layer can be achieved by seeking a compromise between the value of the stress and the temperature rise.
  • the choice of the different parameters involved in the process of generating nanostructures is important.
  • experiments have shown that the larger the beads used, in a dimension range of the order of a few hundred microns to a few millimeters, the larger the layer of nanostructure obtained.
  • the processing time is used to determine the thickness of the nanostructure.
  • the general principle for choosing the parameters of the process for generating nanostructures according to the invention is that, the greater the kinetic energy of the beads, the greater the level of stress generated in the sublayer.
  • the upper limit of the kinetic energy is defined, in particular by heating caused by the release of this kinetic energy during the impact on the surface to be treated and by the resistance mechanical of the balls and of the material constituting the part. This drawback can be reduced or eliminated by cooling the enclosure or the room with a cooling system. Indeed, as explained above, the rise in temperature tends to make the metal grains magnify, and the material must not crack.
  • the hardness of the balls plays a role, in particular in the transfer of the kinetic energy from the ball to the surface of the part.
  • the acoustic pressure generated by the sound waves also influences the process of generating the nanostructure.
  • the generation of nanostructures by ultrasound or the projection of jets of balls can be carried out in a medium containing a specific gas modifying the mechanical behavior or the chemical composition of the surface of the material during impact of the balls .
  • the surface to be treated must be exposed to a generation of nanostructures by ultrasound for 2 to 3 min with beads 3mm in diameter.
  • the surface to be treated must be exposed to a generation of nanostructures by ultrasound for approximately 400 s with balls of 300 ⁇ m in diameter.
  • the treatment time per generation of nanostructures is between 30 and 1300 s for conventional metallic materials (Fe, Ti, Ni, Al, Cu, etc.). The total time required can be extended or reduced depending on the material.
  • the diameter of the beads used is between 300 ⁇ m and 3mm.
  • the duration of generation of nanostructures is determined as a function of the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the whole mechanism can be placed inside an acoustic enclosure (25) allowing noise to be reduced so as to make it compatible with standards. acceptable for work.
  • This enclosure (25) can be sealed and provided with means (26) for diffusion or vaporization (shown in dotted lines) allowing the performance of one or more of the chemical or thermochemical treatments described below.
  • the bowl thanks to its circulation channel (204a, 204b), allows the penetration of chemical or thermochemical treatments.
  • the part to be treated it may be useful to treat it, either initially under vacuum or in an inert atmosphere, for example to avoid oxidation, then in a second time with the diffusion of specific chemical compounds allowing to obtain the mechanical, physical or chemical properties interesting for the part.
  • the generation of nanostructures on the treated surface of the part (10) causes a modification of the law of diffusion in the zone treated by multiplication of the number of borders between the grains, these borders then constituting as many nanometric channels allowing the diffusion of chemical compounds having a size of the order of a few atoms. This allows better penetration of chemical compounds.
  • FIGS. 4A and 4B represent the curve representing the rate and the penetration of nitrogen during ionic nitriding for a temperature of 550 ° C. and 350 ° C.
  • the curve shown in FIG. 4A corresponds to the measurement of the nitrogen content, as a function of the thickness of the surface treated, when the part has undergone nitriding for two hours at a temperature of 550 ° C.
  • the solid line curve corresponds to the measurement produced for a surface previously treated according to the process for generating nanostructures according to the invention.
  • the treatment for generating nanostructures on the surface made it possible to obtain a nanostructure over a thickness of approximately 20 ⁇ m.
  • the dashed line curve corresponds to the measurement made for an untreated surface by generation of nanostructures.
  • the rate of nitrogen which has penetrated for the nitriding treatment at 550 ° C. is uniform in the thickness of the part and equal to 5%.
  • the nitrogen level is much greater, that is to say five times higher than the rate of the untreated part, in the thickness in which the nanostructures have formed.
  • the nitrogen content decreases rapidly to a rate corresponding to the rate obtained according to the nitriding process of the prior art.
  • the rate of nitrogen is 17 times higher than the rate of the piece not surface treated. Then, the nitrogen level decreases slowly in the thickness of the part comprising the nanostructure, in the end being equal to the rate obtained according to the nitriding process of the prior art when the layer of the part no longer comprises nanostructures. It should be noted that the nitriding process according to the prior art is carried out only from a certain temperature, close to 550 ° C., for a steel or carbon part.
  • the pretreatment of the part makes it possible not only to obtain a good structure on the surface of a part, but also to lower the treatment temperature while retaining, in the case of treatment at 350 ° C., a nitrogen level higher than the rate obtained without treatment by generation of nanostructures according to the invention.
  • nitriding must be carried out at a temperature of approximately 550 ° C., however at this temperature a metal part necessarily undergoes deformations. For parts whose geometric precision is essential, such deformations are not admissible, which consequently prohibits nitriding according to the method of the prior art.
  • the process for generating nanostructures according to the invention it is therefore possible to lower the treatment temperature and therefore to reduce or eliminate the deformations of the part. Consequently, precision parts can undergo nitriding, which was impossible according to the prior art.
  • the preliminary treatment according to the process for generating nanostructures of the invention also makes it possible to reduce the duration of the treatment.
  • the presence of nanostructures and in particular nanometric diffusion channels allows faster diffusion of the compounds in the surface layer of the part.
  • What has just been explained for nitriding is also true for any surface treatment or physicochemical surface process depending on the law of diffusion in the surface layer of a part.
  • the methods of cementation, catalysis or storage of ions in a metallic structure are modified when the part undergoes beforehand the process for generating nanostructures according to the invention, that is to say when it comprises a layer nanoscale microstructures over a thickness of ten or a few tens of microns.
  • the speed of the circular movement and the frequency and amplitude of the vibratory movement being determined as a function of the physical characteristics of the balls to communicate to them a kinetic energy sufficient for the creation of nanostructures on the material of the part to be treated.
  • the method includes a step of mechanical and / or thermal stressing of the metal part (10) to be treated.
  • the method comprises a step of treatment by diffusion of chemical compounds and by the formation of new phases of materials of different composition in the layer of nanostructures generated during the generation of the nanostructures or after the generation of these. this.
  • the processing time is between several seconds and 10 hours.
  • the size of the beads varies from 3 to 10 mm.
  • the treatment step is a nitriding comprising placing the part (10) to be treated under a nitrogen atmosphere, at a determined temperature between 350 and 550 ° C., for a determined period of between 30 min and 10h.
  • the treatment step is case hardening or catalysis or storage of ions in the metal structure of the part.
  • the vibratory movement step is carried out by means of an electronic vibrator whose waves cause the movement of the speakers in the desired direction.
  • the vibrator is an ultrasonic generator.
  • the diameter of the perfectly spherical balls (22) is between 300 ⁇ m and 3 mm depending on the desired thickness of the layer of nanostructures.
  • the projection time is determined as a function of the thickness of nanostructures desired by the user.
  • the duration of projection of the balls (22) is between 30 and 1300s.
  • the method comprises a step of cooling the part to be treated.
  • the speed of the balls is between 5 and 100 m / s
  • the mechanical device for generating nanostructures over a determined thickness of a metal part (10) comprising at least one closed enclosure for the size of the beads containing a determined quantity of perfectly spherical beads of determined size, a means of connecting the enclosure to means for generating a vibration communicated to the enclosure, the enclosure assembly, vibration means being mounted by damping means (31) on a turntable (30) with a determined speed.
  • the device comprises means for adjusting the speed of rotation of the plate and means for adjusting the frequency and the amplitude of the vibration generation means.
  • the vibration generating means is an ultrasonic generator.
  • the vibration generating means consists of an inertial assembly (34) driven in rotation about an axis (33) perpendicular to the axis of rotation of the plate, the inertial assembly being mechanically connected to the connecting means (32) with the enclosure (20a, 20b).
  • the device comprises means for stressing the metal part (10) and / or means for heating the part (10).
  • the device comprises means for adjusting the distance (d) between the source of emission of the balls and the part to be treated.
  • the distance is of the order of 4 to 40 mm.
  • the device comprises means for adjusting the duration of emission of the balls and their speed.
  • the balls are in a quantity such that they occupy, when the means for setting in motion by ultrasound are inactive, an area greater than 30% of the area of the sonotrode
  • the speed of the balls is between 5 and 10Om / s.
  • the device comprises means for treatment by diffusion of chemical compounds in the layer of nanostructures generated during the generation of the nanostructures or after the generation of these.
  • the device comprises means for placing the room area (10) to be treated under a nitrogen atmosphere, at a determined temperature between 350 and 550 ° C., for a determined period of between 30 min. and 10 a.m.
  • the device comprises means for carburizing, carbonitriding and other thermochemical treatments.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé mécanique de génération de nanostructures pour obtenir sur une surface d'une pièce métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définie caracterisé en ce qu'il comprend: -une étape de mise en mouvement circulaire d'une quantité de billes (22) parfaitement sphériques disposées dans une enceinte fermée pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10); -une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan de 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 caracteristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la creation de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.

Description

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 dans un gaz inerte, SPD (severe plastic déformation) déformation plastique intense, etc.. Ces méthodes ont l'inconvénient de générer des matériaux qui ne sont pas sans porosité, contamination et de taille suffisante pour des applications industrielles.
Le procédé de l'invention a pour objectif de créer sur la surface du matériau une couche de ce même matériau présentant des grains de composant de quelques dizaines de nanomètres formant ce qui est communément appelé une couche de microstructures nanométriques ou nanostructures.
Il est connu dans l'art antérieur des procédés de grenaillage classiques. Le grenaillage de la surface d'un matériau, par exemple métallique, consiste à projeter sur cette surface des projectiles, par exemple des billes, de petite dimension, à des vitesses comprises entre 5 et 100m/s.
Selon cet art antérieur, les billes sont projetées à l'aide d'un jet d'air comprimé. Selon ce procédé de grenaillage, les billes ne sont pas réutilisées immédiatement et passent par un dispositif de recyclage avant de réapprovisionner la lance à jet ou l'absence de dispositif de recyclage de procédé nécessite une grande quantité de billes. Par ailleurs, chaque jet incident sur la pièce est unidirectionnel sous un angle déterminé pour une surface donnée. En outre, il faut un balayage continu de la pièce pendant le grenaillage pour obtenir une surface homogène. De plus, les résultats obtenus montrent que la surface de la pièce traitée ne comprend pas ou peu de nanostructures. Le seul intérêt du procédé de grenaillage classique réside dans le fait que l'on puisse obtenir des vitesses de billes plus importantes que dans la projection de billes par ultrasons. En effet, la projection de billes par ultrasons permet d'obtenir des vitesses de billes comprises entre 5 et 20m/s, alors que le grenaillage par pistolet pneumatique permet d'obtenir des vitesses de billes comprises entre 10 et 100m/s.
Il est également connu par la demande de brevet FR 2 689 431 ou la demande de brevet Russe 1 391 135 un procédé de durcissement par ultrasons de pièces métalliques qui consiste à mettre en mouvement des billes dans un volume fermé, pendant un temps prédéterminé, par l'intermédiaire d'un générateur à ultrasons. Selon le procédé de la demande de brevet français on peut obtenir, en fonction de la vitesse, soit une rugosité déterminée, soit une profondeur déterminée de couche durcie. Pour obtenir un traitement uniforme, la vitesse de déplacement de l'émetteur doit satisfaire une certaine valeur, en deçà de laquelle il y a écrouissage de la surface et au-delà de laquelle le traitement ne sera pas régulier, c'est-à-dire que n'importe quel point de la surface n'aura pas été frappé, ne serait-ce qu'une fois. Les vitesses de déplacement envisagées dans cette demande de brevet ne sont que de quelques dizaines de centimètres par seconde et les amplitudes de l'émetteur de 100μm. Ainsi, le mode opératoire connu ne permet pas de créer une couche sans obtenir une structure nanométrique sur une profondeur significative
La présente invention a donc pour objet de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de génération de nanostructures permettant d'obtenir une couche de nanostructures sur une épaisseur déterminée de la surface d'une pièce à traiter par un dispositif mécanique utilisant une quantité limitée de billes dans un volume fermé. Ce procédé est encore appelé nanocristallisation de surface par broyage à billes (ball- milling). Ce premier but est atteint par un procédé mécanique de nanostructures pour obtenir sur une surface d'une pièce métallique une couche de nanostructures d'épaisseur définit caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de mise en mouvement circulaire d'une quantité de billes
(22) parfaitement sphériques disposées dans une enceinte fermée pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10) ;
- une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ;
la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
Un autre but de l'invention consiste à proposer un dispositif mécanique de génération de nanostructures permettant d'obtenir une couche de nanostructures sur une épaisseur déterminée par un dispositif mécanique utilisant une quantité limitée de billes dans un volume fermé. Ce but est atteint grâce au dispositif mécanique de génération de nanostructures sur une pièce métallique comprenant au moins une enceinte fermée pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphérique de dimension déterminée, un moyen de liaison de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31 ) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse d éterminée.
L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, apparaîtra plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe du principe du procédé mécanique de nanostrucutres selon l'invention ;
- la figure 2A représente en coupe une variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes ; - la figure 2B représente en coupe une vue de dessus de la cale utilisée dans la variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes ;
- la figure 3A représente une vue en élévation d'une deuxième variante de réalisation de l'invention avec application de contraintes ; - la figure 3B représente une vue de dessus du plateau inférieur de la deuxième variante de réalisation avec contraintes ;
- les figure 4A et 4B représentent la courbe représentant le taux et la pénétration de l'azote durant un traitement par nitruration ionique dans une pièce traitée selon le procédé mécanique de génération de nanostrutures selon l'invention, respectivement pour une température de 550 et 350°C.
Le principe de l'invention est de réaliser un traitement de la surface d'une pièce métallique pour, d'une part modifier les caractéristiques mécaniques de la pièce métallique, et d'autre part modifier les propriétés de diffusion dans la couche superficielle de la surface traitée. Selon l'art antérieur, les propriétés mécaniques des microstructures nanométriques ou de la nanostructure sont bien connues. En effet, plus la taille des grains de métaux est faible, plus la résistance mécanique de la pièce est grande. Ainsi, la recherche actuelle vise à développer des procédés de fabrication permettant d'obtenir des pièces constituées uniquement de nanostructures. L'objet de l'invention est tout autre, il consiste, par l'intermédiaire d'un procédé de génération de nanostructures (décrit ultérieurement) à réaliser une couche superficielle de nanostructures donnant, la surface de la pièce, les propriétés, par exemple mécaniques souhaitées, ceci étant suffisant pour garantir les propriétés visées pour la pièce (résistance à la fatigue, à l'usure, aux frottements, à la corrosion). Pour obtenir une nanostructure, il faut diminuer la taille des grains de métal de la surface de la pièce. Initialement, pour une pièce, par exemple réalisée en fer pur, les grains ont une dimension de l'ordre de 100μm. A l'issue du traitement selon l'invention, la taille des grains n'est plus que de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres.
Pour diminuer la taille des grains, il faut créer à la surface du matériau une déformation plastique dans toutes les directions et de façon aléatoire selon les processus et avec les dispositifs définis en relation avec la figure 1. La figure 1 représente un schéma d'un dispositif mécanique de génération de nanostrutures par broyage à billes. Le principe de génération de nanostructures par broyage à billes (ball-milling) selon la figure 1 , est de mettre une quantité déterminée de billes (22) parfaitement sphériques en mouvement et vitesse déterminées pour leur communiquer une énergie cinétique leur permettant d'aller impacter au même point de la surface à traiter selon des angles d'incidence variables et une énergie suffisante pour créer des nanostructures.
Les billes (22) choisies pour frapper la surface (10) à traiter sont parfaitement sphériques et de haute qualité. A titre d'exemple, les billes (22) choisies sont des billes de roulement à billes. Compte-tenu de leur qualité, leur utilisation est effectuée en quantité déterminée. L'utilisation de billes (22) en acier, verte ou céramique, parfaitement sphériques, permet d'éviter l'accumulation localisée de contraintes qui lors, de l'impact de la bille, endommagerait le matériau. Cette sphéricité parfaite permet donc de générer une déformation plastique de la surface du matériau pendant le processus de formation de la couche de nanostructures. La répétition des déformations plastiques multidirectionnelles 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 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 générera au sein de la structure (35) une vibration qui est communiquée par sa liaison avec le bras (32). Cette vibration est transmise par le bras (32) à chaque bol (20a, 20b). Cette structure constituée du bras du système inertiel et d'au moins un bol est montée sur un ou plusieurs moyens amortisseurs (31a, 31b), en l'occurrence, dans l'exemple de réalisation, on a disposé des moyens amortisseurs en dessous de chacun des bols de façon à donner une symétrie de mouvement et contrôler ainsi plus aisément les vibrations générées. Ces moyens amortisseurs (31a, 31b) sont supportés par un plateau (30), lequel est actionné d'un mouvement rotatif selon une direction par des moyens d'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 du plateau, de façon à communiquer aux billes une vitesse déterminée leur permettant d'acquérir une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures. Les billes (22) tirent leur énergie du mouvement du bol et vont venir frapper la surface de la pièce (10) un grand nombre de fois selon des angles d'incidence variables et multiples en créant à chaque impact une déformation plastique des grains constitués, d'un agglomérat de molécules de matière ou d'alliage. La bille ayant perdu son énergie au contact de la pièce (10) retombe sur les parois du bol (20) pour acquérir une nouvelle vitesse selon une direction qui, vue de la pièce, semble aléatoire mais déterminée par les lois physiques. Le bol (20) peut être fermé, soit par la pièce (10a) qui constitue alors un couvercle pour le bol, soit par un couvercle (203a, 203b) sur lequel est fixée la pièce (10a). Cette dernière variante permet de réaliser dans l'enceinte fermée constituée par le bol (20a respectivement 20b) et son couvercle associé (203a respectivement 203b) un orifice (204a respectivement 204b) permettant de réaliser le vide à l'intérieur de cette enceinte pour favoriser le déplacement des billes. Dans une variante de réalisation, il est possible de fixer la pièce à tout autre paroi du bol et éventuellement de faire jouer le rôle de bol à la pièce si la géométrie de cette dernière s'y prête. De même, il est possible de ménager un espace entre le bol et le couvercle, sans que celui-ci ne dépasse la taille des billes. Ainsi, l'enceinte est perçue comme fermée pour la tailles des billes.
Dans une autre variante de réalisation de l'invention, le système inertiel (33, 34, 35) peut être remplacé par une sonotrode communiquant au bras (32) une vibration d'amplitude et de fréquence suffisantes. Dans ce cas, on pourra très bien utiliser des fréquences qui sortent du spectre des ultrasons, la fréquence de vibration étant déterminée en fonction de la vitesse de rotation de l'ensemble de la masse et de la taille des billes pour permettre la communication aux billes d'une énergie cinétique suffisante.
Enfin, lorsque l'on souhaite obtenir une épaisseur de nanostructures de quelques dizaines à plusieurs centaines de microns la surface de la pièce à traiter peut être mise sous contrainte.
Selon une variante de réalisation, représentée à la figure 2, la surface à traiter peut être mise sous contrainte mécanique, par exemple en bridant la pièce (10) avec des moyens (21) de préhension appropriés. Ces moyens de préhension sont, par exemple, constitués par une semelle (21.2) sur laquelle sont montées des brides de serrage (21.1) pour serrer la pièce contre une cale protectrice (21.3) interposée entre la pièce (10) et la semelle (21.2). Une tige (21.4) traversant les perçages (21.21 et 21.31) de la semelle (21.2) et la cale (21.3) applique un effort sur la pièce (10) retenue par les brides (21.1). L'effort de pression peut être obtenu en filetant la tige 21.4 et en la vissant dans un trou taraudé (21.21 ) formé dans la semelle (21.2).
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits mais englobe tout mode permettant d'appliquer des contraintes mécaniques en un ou plusieurs endroits d'une pièce. Ainsi plusieurs tiges peuvent être prévues pour appliquer des contraintes différentes en plusieurs endroits pour obtenir des épaisseurs différentes de nanostructures proportionnelles à la valeur des contraintes appliquées aux points respectifs.
Dans le mode de réalisation du dispositif de mise sous contrainte représenté à la figure 3A, des moyens de traction sur chacune des extrémités de la pièce permettent de mettre celle-ci sous contrainte. Ces moyens sont constitués, par exemple, par un plateau supérieur (31 ) et un plateau inférieur (32) maintenus écartés d'une distance réglable par trois tirants à vis (33) disposés à 120° et sollicitant en traction les extrémités de la pièce rendue solidaire de chaque plateau. La pièce peut, par exemple, traverser chaque plateau par des orifices et venir s'appuyer contre la surface de chaque plateau tournée vers l'extérieur au moyen de bagues formant des epaulements et rendues solidaires des extrémités de la pièce par une vis de blocage transversale à la bague. Les plateaux, notamment celui (32) orienté vers la zone d'émission des projectiles, sont pourvus, comme représenté figure 3B, d'évidements (321 ) permettant la circulation et la projection des billes. Dans une autre variante de réalisation la contrainte appliquée peut être thermique. Ainsi, la surface à traiter est chauffée, soit en totalité pour obtenir une épaisseur uniforme de structures nanocristallines sur toute la surface de la pièce soumise au bombardement de billes, soit localement pour obtenir des variations d'épaisseur de structures nanocristallines. Dans ce cas, des moyens de chauffage par radiation ou conduction sont installés dans le bol ou sur le la pièce ou dans l'enceinte acoustique de la machine.
De plus, il est possible de combiner la contrainte mécanique et le chauffage de la surface à traiter pour obtenir le résultat souhaité. Le but de la mise sous contrainte et/ou de l'élévation de température est de permettre la génération de la déformation plastique en sous couche et dans toutes les directions pour favoriser le fractionnement des grains de matière situés en profondeur.
Les essais actuellement réalisés en traitant une pièce non mise sous contrainte ont permis de réaliser des couches de nanostructures allant de 20μm à 50μm avec mise sous contrainte. On obtient alors des nanostructures sur une épaisseur de plusieurs centaines de microns. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de nanostructures peut être réalisée en cherchant un compromis entre la valeur de la contrainte et l'élévation de température. De même, le choix des différents paramètres impliqués dans le procédé de génération de nanostructures est important. Ainsi, les expériences ont montré que plus les billes utilisées ont un diamètre important, dans une plage de dimension de l'ordre de quelque centaines de microns à quelques millimètres, plus la couche de nanostructure obtenue est importante. De même, la durée de traitement intervient pour déterminer l'épaisseur de la nanostructure. Il a été constaté que, jusqu'à une valeur déterminée de durée différente en fonction de la taille des billes, plus la durée augmente plus l'épaisseur de la couche de nanostructures augmente jusqu'à une durée qui correspond à la saturation et qui ne permet plus de modifier l'épaisseur de la couche. Cette valeur déterminée est obtenue, soit par l'expérience, soit par un modèle mathématique pour un matériau donné. Cependant, lorsque la durée devient plus importante que la valeur déterminée, l'épaisseur de la couche de nanostructures diminue. Ce phénomène est dû au fait que l'impact des billes sur la surface à traiter génère un dégagement de chaleur qui échauffe le matériau. Or, à partir d'un certain seuil, la chaleur a pour conséquence d'augmenter la taille des grains de métal.
Le principe général pour choisir les paramètres du procédé de génération de nanostructures selon l'invention est que, plus l'énergie cinétique des billes est importante, plus le niveau de contrainte généré dans la sous couche est important. La limite supérieure de l'énergie cinétique est définie, notamment par échauffement entraîné par la libération de cette énergie cinétique lors de l'impact sur la surface à traiter et par la résistance mécanique des billes et du matériau constituant la pièce. Cet inconvénient peut être amenuisé ou supprimé en refroidissant l'enceinte ou la pièce avec un système de refroidissement. En effet, comme expliqué précédemment, l'élévation de température tend à faire grossir les grains de métal, et le matériau ne doit pas se fissurer.
D'autres paramètres peuvent être pris en compte pour obtenir des couches de nanostructures plus importantes ou pour diminuer la durée de traitement. A titre d'exemple, la dureté des billes joue un rôle, notamment dans le transfert de l'énergie cinétique de la bille à la surface de la pièce. De même, lorsque l'on utilise un générateur à ultrasons pour mettre en mouvement les billes, la pression acoustique générée par les ondes sonores influence également le processus de génération de la nanostructure. De même, selon l'invention, la génération de nanostructures par ultrasons ou la projection de jets de billes peut être réalisée dans un milieu contenant un gaz spécifique déterminé modifiant le comportement mécanique ou la composition chimique de la surface du matériau lors des chocs des billes.
A titre d'exemple, pour obtenir une couche de nanostructures d'environ 20μm, il faut exposer la surface à traiter à une génération de nanostructures par ultrasons pendant 2 à 3min avec des billes de 3mm de diamètre. De même, pour obtenir une couche de nanostructures d'environ 10μm il faut exposer la surface à traiter à une génération de nanostructures par ultrasons pendant environ 400s avec des billes de 300μm de diamètre. De même, l'expérience a montré que la durée de traitement par génération de nanostructures est comprise entre 30 et 1300s pour les matériaux métalliques classiques (Fe, Ti, Ni, Al, Cu, etc.). Le temps total nécessaire peut être prolongé ou réduit en fonction de la matière. Le diamètre des billes utilisées est compris entre 300μm et 3mm. En fait, pour une taille de billes déterminée et un matériau déterminé, la durée de génération de nanostructures est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur. Enfin, si pour des raisons acoustique ou de sécurité cela s'avère nécessaire, l'ensemble du mécanisme peut être disposé à l'intérieur d'une enceinte (25) acoustique permettant de diminuer les bruits de façon à les rendre compatibles avec les normes acceptables pour le travail. Cette enceinte (25) peut être rendue étanche et pourvue de moyens (26) de diffusion ou de vaporisation (représenté en pointillés) permettant la réalisation d'un ou plusieurs des traitements chimiques ou thermochimiques décrits ci-après. Dans ce cas, le bol .grâce à son canal de circulation (204a, 204b), permet la pénétration des traitements chimiques ou thermochimiques. Ainsi, selon les caractéristiques physico-chimiques de la pièce à traiter, il peut être utile de traiter celle-ci, soit dans un premier temps sous vide, soit dans une atmosphère inerte, par exemple pour éviter l'oxydation, puis dans un deuxième temps avec la diffusion de composés chimiques spécifiques permettant d'obtenir les propriétés mécaniques, physiques ou chimiques intéressantes pour la pièce. La génération de nanostructures sur la surface traitée de la pièce (10) provoque une modification de la loi de diffusion dans la zone traitée par multiplication du nombre de frontières entre les grains, ces frontières constituant alors autant de canaux nanométriques permettant la diffusion de composés chimiques ayant une taille de l'ordre de quelques atomes. Ceci permet une meilleure pénétration des composés chimiques.
Ainsi, tous les procédés de traitement de surface mettant en jeu la diffusion de composés dans la surface d'une pièce métallique sont modifiés lorsque la pièce a préalablement subi le procédé de génération de nanostructures selon l'invention ou subi en même temps le procédé de génération de nanostructures.
A titre d'exemple, les figures 4A et 4B représentent la courbe représentant le taux et la pénétration de l'azote lors d'une nitruration ionique pour une température de 550°C et 350°C. La courbe représentée à la figure 4A correspond à la mesure du taux d'azote, en fonction de l'épaisseur de la surface traitée, lorsque la pièce a subi une nitruration pendant deux heures à une température de 550°C. La courbe en trait plein correspond à la mesure réalisée pour une surface préalablement traitée selon le procédé de génération de nanostructures selon l'invention. Le traitement de génération de nanostructures de la surface a permis d'obtenir une nanostructure sur une épaisseur d'environ 20μm. La courbe en trait mixte correspond à la mesure réalisée pour une surface non traitée par génération de nanostructures. On constate sur la courbe en trait mixte que selon l'art antérieur, le taux d'azote ayant pénétré pour le traitement par nitruration à 550°C, est uniforme dans l'épaisseur de la pièce et égal à 5%. Pour la pièce préalablement traitée par génération de nanostructures selon l'invention, le taux d'azote, dans les mêmes conditions opératoires, est beaucoup plus important, soit cinq fois supérieur au taux de la pièce non traitée, dans l'épaisseur dans laquelle les nanostructures se sont formées. Ensuite, dans l'épaisseur de la pièce ne comprenant plus de nanostructures, le taux d'azote 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 20μm. On constate que selon l'art antérieur, le taux d'azote est uniforme dans l'épaisseur de la pièce et égal à 1 %. Ce taux est trop faible pour modifier de façon satisfaisante les propriétés mécaniques de la surface de la pièce. Pour la pièce préalablement traitée par génération de nanostructures selon l'invention, le taux d'azote est 17 fois supérieur au taux de la pièce non traitée à la surface. Ensuite, le taux d'azote 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. II faut noter que le procédé de nitruration selon l'art antérieur ne se réalise qu'à partir d'une certaine température, voisine de 550°C, pour une pièce en acier ou carbone. On constate donc que le traitement préalable de la pièce permet, non seulement d'obtenir une bonne structure à la surface d'une pièce, mais également d'abaisser la température de traitement en conservant, dans le cas du traitement à 350°C, un taux d'azote supérieur au taux obtenu sans traitement par génération de nanostructures selon l'invention.
Ainsi, compte tenu de l'abaissement de la température de traitement, il devient alors possible de réaliser une nitruration sur des pièces qui, selon l'art antérieur, ne pouvaient pas subir de nitruration. En effet, la nitruration doit être réalisée à une température d'environ 550°C, or à cette température une pièce métallique subit nécessairement des déformations. Pour des pièces dont la précision géométrique est primordiale, de telles déformations ne sont pas admissibles, ce qui interdit par conséquent une nitruration selon le procédé de l'art antérieur. En réalisant, préalablement à la nitruration, le procédé de génération de nanostructures selon l'invention, il est donc possible d'abaisser la température de traitement et donc de diminuer ou supprimer les déformations de la pièce. Par conséquent, des pièces de précision peuvent subir une nitruration, ce qui était impossible selon l'art antérieur.
De même, le traitement préalable selon le procédé de génération de nanostructures de l'invention permet également de diminuer la durée du traitement. En effet, la présence de nanostructures et en particulier des canaux de diffusion nanométriques permet une diffusion plus rapide des composés dans la couche superficielle de la pièce. Ce qui vient d'être exposé pour la nitruration est également vrai pour tout traitement de surface ou procédé physico-chimique de surface dépendant de la loi de diffusion dans la couche superficielle d'une pièce. Ainsi, les procédés de cémentation, de catalyse ou de stockage d'ions dans une structure métallique sont modifiés lorsque la pièce subit préalablement le procédé de génération de nanostructures selon l'invention, c'est-à-dire lorsqu'elle comprend une couche de microstructures nanométriques sur une épaisseur d'une dizaine ou de quelques dizaines de microns.
Ainsi le procédé mécanique de génération de nanostructures selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comprend :
- une étape de mise en mouvement circulaire d'une quantité de billes (22) parfaitement sphériques disposées dans une enceinte fermée pour la taille des billes dont au moins une des parois supporte ou constitue la pièce à traiter (10) ;
- une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ;
la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de mise sous contrainte mécanique et/ou thermique de la pièce (10) métallique à traiter. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de traitement par diffusion de composés chimiques et par la formation de nouvelles phases de matériaux de composition différente dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci. Dans un autre mode de réalisation, le temps de traitement est compris entre plusieurs secondes et 10 heures.
Dans un autre mode de réalisation, la taille des billes varie de 3 à 10 mm. Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement est une nitruration comprenant une mise sous atmosphère d'azote de la pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de traitement est une cémentation ou une catalyse ou un stockage d'ions dans la structure métallique de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de mise en mouvement vibratoire est réalisée par l'intermédiaire d'un vibreur électronique dont les ondes provoquent le mouvement des enceintes selon la direction souhaitée.
Dans un autre mode de réalisation, le vibreur est un générateur ultrasonique.
Dans un autre mode de réalisation, le diamètre des billes (22) parfaitement sphériques est compris entre 300μm et 3mm en fonction de l'épaisseur souhaitée de la couche de nanostructures. Dans un autre mode de réalisation, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10) et une configuration de machine donnée, la durée de projection est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur.
Dans un autre mode de réalisation, la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de refroidissement de la pièce à traiter. Dans un autre mode de réalisation, la vitesse des billes est comprise entre 5 et 100 m/s
Enfin, le dispositif de mécanique de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique comprenant au moins une enceinte fermée pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphériques de dimension déterminée, un moyen de liaison de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse déterminée.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de régler la vitesse de rotation du plateau et des moyens de régler la fréquence et l'amplitude des moyens de génération de vibration.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen de génération de vibration est un générateur ultrasonique.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen de génération de vibration est constitué d'un ensemble inertiel (34) entraîné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, l'ensemble inertiel étant relié mécaniquement au moyen de liaison (32) avec l'enceinte (20a, 20b).
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de mise sous contrainte de la pièce (10) métallique et/ou des moyens de chauffage de la pièce (10).
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de réglage de la distance (d) entre la source d'émission des billes et la pièce à traiter.
Dans un autre mode de réalisation, la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de réglage de la durée d'émission des billes et de leur vitesse.
Dans un autre mode de réalisation, les billes sont en quantité telle qu'elles occupent, lorsque les moyens de mise en mouvement par ultrasons sont inactifs, une surface supérieure à 30% de la surface de la sonotrode
Dans un autre mode de réalisation, la vitesse des billes est comprise entre 5 et 10Om/s.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de mise sous atmosphère d'azote de la zone de pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de cémentation, carbonitruration et autres traitements thermochimiques.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif est enfermé dans une enceinte d'isolation acoustique (25).
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes.

Claims

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 enceinte dans laquelle est disposée une quantité de billes (22) parfaitement sphériques, l'enceinte étant fermée pour la taille des billes et ayant au moins une de ses parois supportant ou constituant la pièce à traiter (10) ;
- une étape de mise en mouvement vibratoire selon une direction perpendiculaire au plan du mouvement circulaire de l'enceinte supportant ou constituant la pièce à traiter ; la vitesse du mouvement circulaire et la fréquence et l'amplitude du mouvement vibratoire étant déterminées en fonction des caractéristiques physiques des billes pour communiquer à celles-ci une énergie cinétique suffisante à la création de nanostructures sur le matériau de la pièce à traiter.
2. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mise sous contrainte mécanique et/ou thermique de la pièce (10) métallique à traiter.
3. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de traitement par diffusion de composés chimiques et par la formation de nouvelles phases de matériaux de composition différente dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
4. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le temps de traitement est compris entre plusieurs secondes et 10 heures.
5. Procédé de génération de nanostructures selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la taille des billes varie de 3 à 10 mm.
6. Procédé de traitement de surface selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est une nitruration comprenant une mise sous atmosphère d'azote de la pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
7. Procédé de traitement de surface selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est une cémentation ou une catalyse ou un stockage d'ions dans la structure métallique de la pièce.
8. Procédé mécanique de génération de nanostructures selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mise en mouvement vibratoire est réalisée par l'intermédiaire d'un vibreur électronique dont les ondes provoquent le mouvement des enceintes selon la direction souhaitée.
9. Procédé mécanique de génération de nanostructures selon la revendication 8, caractérisé en ce que le vibreur est un générateur ultrasonique.
10. Procédé de génération de nanostructures selon la revendication 8, caractérisé en ce que le diamètre des billes (22) parfaitement sphériques est compris entre 300μm et 3mm en fonction de l'épaisseur souhaitée de la couche de nanostructures.
11. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que, pour une taille de bille déterminée, un matériau déterminé constituant la pièce (10) et une configuration de machine donnée, la durée de projection est déterminée en fonction de l'épaisseur de nanostructures souhaitée par l'utilisateur.
12. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la durée de projection des billes (22) est comprise entre 30 et 1300s.
13. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement de la pièce à traiter.
14. Procédé de génération de nanostructures selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse des billes est comprise entre 5 et 100 m/s
15. Dispositif mécanique de génération de nanostructures sur une pièce métallique comprenant au moins une enceinte fermée pour la taille des billes contenant une quantité déterminée de billes parfaitement sphérique de dimension déterminée, un moyen de liaison de l'enceinte à des moyens de génération d'une vibration communiquée à l'enceinte, l'ensemble enceinte, moyens de vibration étant monté par des moyens amortisseurs (31 ) sur un plateau tournant (30) avec une vitesse déterminée.
16. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler la vitesse de rotation du plateau et des moyens de régler la fréquence et l'amplitude des moyens de génération de vibration.
17. Dispositif selon une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen de génération de vibration est un générateur ultrasonique.
18. Dispositif selon une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le moyen de génération de vibration est constitué d'un ensemble inertiel (34) entraîné en rotation selon un axe (33) perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau, l'ensemble inertiel étant relié mécaniquement au moyen de liaison (32) avec l'enceinte (20a, 20b).
19. Dispositif mécanique de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise sous contrainte de la pièce (10) métallique et/ou des moyens de chauffage de la pièce (10).
20. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la distance (d) entre la source d'émission des billes et la pièce à traiter.
21. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon la revendication 20, caractérisé en ce que la distance est de l'ordre de 4 à 40 mm.
22. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications 15 à 21 , caractérisé en ce qu 'il comporte des moyens de réglage de la durée d'émission des billes et de leur vitesse.
23. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que la vitesse des billes est comprise entre 5 et 10Om/s.
24. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'effectuer un refroidissement local de la zone traitée de la pièce.
25. Dispositif de génération de nanostructures selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de traitement par diffusion de composés chimiques dans la couche de nanostructures générée lors de la génération des nanostructures ou après la génération de celles-ci.
26. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise sous atmosphère d'azote de la zone de pièce (10) à traiter, à une température déterminée comprise entre 350 et 550°C, pendant une durée déterminée comprise entre 30 min et 10h.
27. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de cémentation, carbonitruration et autres traitements thermochimiques.
28. Dispositif de génération de nanostructures sur une épaisseur déterminée d'une pièce (10) métallique selon une des revendications précédentes de dispositif, caractérisé en ce que le dispositif est enfermé dans une enceinte d'isolation acoustique (25).
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