EP0069701A1 - Procédé pour réaliser un revêtement lubrifiant solide résistant à la corrosion - Google Patents
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Definitions
- Lamellar chalcogen compounds such as molybdenum sulfide
- Lamellar chalcogen compounds have already been used successfully as solid lubricants in an environment containing very little oxygen and humidity, for example under vacuum (space equipment) and in gas atmospheres. inert (nuclear power plants).
- attempts to use such solid lubricants in the Earth's atmosphere, in the presence of oxygen and moisture have been unsuccessful, as these solid lubricants corrode to form oxidation products, as well as sulfur dioxide and hydrogen sulfide in the case of molybdenum sulfide.
- the object of the invention is to remedy these drawbacks and, for this purpose, the invention relates to a method for producing a solid lubricating coating, resistant to corrosion, on a surface resistant to corrosion and consisting of a sulfide-forming metal, characterized in that the surface is subjected to a plasma in an atmosphere containing hydrogen sulfide in order to form an adherent sulfide on this surface and in that the sulfided surface is exposed to a spray simultaneous cathodic of at least one solid lubricant, chosen from chalcogenic lamellar compounds, and at least one hydrophobic solid polymer, in order to form a. composite garment in which the particles of the chalcogenous compound are protected by the hydrophobic polymer, the atmospheres in which the sulfurization and the deposition of the coating take place are free of free or bound oxygen.
- the sulfurization treatment of the surface to be coated is carried out in the sputtering apparatus used for depositing the composite solid lubricant.
- an atmosphere of an inert gas, such as argon, containing hydrogen sulphide is maintained in a proportion which can vary between 0.5 and 20% by volume, under a pressure generally between 0.1 millibar and 0.0001 millibar, more particularly between 0.06 millibar and 0.001 millibar, and an electrical discharge is maintained between the part to be coated functioning as an anode, and a cathode.
- Hydrogen sulfide probably in ionized form, reacts effectively with the sulfide-forming metal.
- sulfide-forming metal is meant herein a metal or a metalloid which is sulfurizable when exposed as an electrode to an electric plasma in an atmosphere containing hydrogen sulfide.
- the sulphide-forming metal can be chosen from nickel, cobalt, chromium, molybdenum, copper, silver, rhodium, ruthenium, tungsten, palladium, silicon, hafnium, niobium, titanium, tantalum, rhenium, osmium, iridium, platinum and their alloys. Most often, the part to be coated is not made of a corrosion-resistant sulfide-forming metal and must therefore first be coated with such a metal.
- the sputtering technique is advantageously used in use. reading a cathode made of the sulphide-forming metal, for example cobalt.
- a cathode made of the sulphide-forming metal for example cobalt.
- it is possible to use a direct or alternating high frequency electrical voltage generally greater than 1 MHz, for example 13.56 MHz, with a power density between 2 W / cm 2 and 17 W / cm 2 , in particular between 3 W / cm 2 and 7 W / cm.
- nickel can be replaced by cobalt, rhodium, ruthenium, chromium, tungsten, palladium, copper, silicon, hafnium, niobium, titanium, molybdenum, tantalum and their alloys as sulfur metals.
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Abstract
Description
- On a déjà utilisé avec succès des composés chalcogénés lamellaires, tels que le sulfure de molybdène, comme lubrifiants solides, dans un environnement contenant très peu d'oxygène et d'humidité, par exemple sous vide (équipements spatiaux) et dans des atmosphères de gaz inerte (centrales nucléaires). Cependant, les tentatives d'utiliser de tels lubrifiants solides dans l'atmosphère terrestre, en présence d'oxygène et d'humidité, n'ont pas abouti, car ces lubrifiants solides se corrodent en formant des produits d'oxydation, ainsi que de l'anhydride sulfureux et de l'hydrogène sulfuré dans le cas du sulfure de molybdène.
- Pour améliorer l'efficacité des lubrifiants solides, on a proposé dans la demande de brevet allemande publiée DE 25 30 002 de greffer sur la surface des lubrifiants solides des polymères ou d'autres composés organiques ou inorganiques possédant des sites réactionnels appropriés.
- D'autre part, un article de T. Spalvins (Thin Solid Films, 53, 285-300 (1978)), décrit la déposition de couches de lubrifiant solide par pulvérisation cathodique. Les lubrifiants solides ainsi déposés séparément par cet auteur comprennent le sulfure de molybdène et des polymères solides hydrophobes, notamment les polyimides et le polytétrafluoroéthy- lène, dit "PTFE" en abrégé.
- Cependant, ces méthodes connues ne permettent pas . d'obtenir des revêtements de lubrifiants solides qui soient suffisamment durables en atmosphère terrestre et qui adhèrent suffisamment à leur support.
- Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients et, à cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour réaliser un revêtement lubrifiant solide, résistant à la corrosion, sur une surface résistante à la corrosion et constituée d'un métal formateur de sulfure, caractérisé en ce que l'on soumet la surface à un plasma dans une atmosphère contenant de l'hydrogène sulfuré afin de former un sulfure adhérent sur cette surface et en ce que l'on expose la surface sulfurée à une pulvérisation cathodique simultanée d'au moins un lubrifiant solide, choisi parmi les composés chalcogénés lamellaires, et au moins un polymère solide hydrophobe, afin de former un re-. vêtement composite dans lequel les particules du composé chalcogéné sont protégées par le polymère hydrophobe, les atmosphères dans lesquelles ont lieu la sulfuration et le dépôt du revêtement étant exemptes d'oxygène libre ou lié.
- Normalement, le traitement de sulfuration de la surface à revêtir est effectué dans l'appareil de pulvérisation cathodique utilisé pour le dépôt du lubrifiant solide composite. Pour cette sulfuration, on maintient une atmosphère d'un gaz inerte, tel que de l'argon, contenant de l'hydrogène sulfuré en proportion pouvant varier entre 0,5 et 20 % en volume, sous une pression généralement comprise entre 0,1 millibar et 0,0001 millibar, plus particulièrement entre 0,06 millibar et 0,001 millibar, et on entretient une décharge électrique entre la pièce à revêtir fonctionnant comme anode, et une cathode. L'hydrogène sulfuré, probablement sous forme ionisée, réagit efficacement avec le métal formateur de sulfure.
- Par "métal formateur de sulfure" on entend ici un métal ou un métalloïde qui est sulfurable lorsqu'il est exposé en tant qu'électrode à un plasma électrique- dans une atmosphère contenant de l'hydrogène sulfuré. Le métal formateur de sulfure peut être choisi parmi le nickel, le cobalt, le chrome, le molybdène, le cuivre, l'argent, le rhodium, le ruthénium, le tungstène, le palladium, le silicium, le hafnium, le niobium, le titane, le tantale, le rhenium, l'osmium, l'iridium, le platine et leurs alliages. Le plus souvent, la pièce à revêtir n'est pas faite d'un métal formateur de sulfure résistant à la corrosion et elle doit donc préalablement être revêtue d'un tel métal. A cet effet, on utilise avantageusement la technique de pulvérisation cathodique en utilisant une cathode constituée du métal formateur de sulfure, par exemple de cobalt. Pour la pulvérisation cathodique du métal formateur de sulfure, de même que pour la pulvérisation cathodique ultérieure du lubrifiant solide composite, on peut utiliser une tension électrique continue ou alternative a haute fréquence, généralement supérieure à 1 MHz, par exemple de 13,56 MHz, avec une densité de puissance comprise entre 2 W/cm2 et 17 W/cm2, notamment entre 3 W/cm2 et 7 W/cm .
- Après le traitement de sulfuration, dont le but est de faire adhérer solidement le revêtement lubrifiant composite à son support, on peut effectuer le dépôt simultané du composé chalcogéné lamellaire et du polymère solide hydrophobe par pulvérisation cathodique dans le même appareil que celui utilisé pour la sulfuration. Le composé chalcogéné lamellaire et le polymère solide hydrophobe pouvent être placés dans des cathodes distinctes connectées en parallèle, mais il est préférable de placer les deux composants dans une cathode commune, de préférence sous forme d'un mélange de poudres pressé à froid sous une pression de 100 à 10 000 bar, de préférence de 3000 à 7000 bar. Les particules des poudres ont avantageusement une taille moyenne inférieure à 4 pm, de préférence inférieure à 1 pm. Les proportions relatives entre le composé chalcogéné lamellaire et le polymère solide hydrophobe sont normalement choisies de manière à obtenir un revêtement lubrifiant composite dans lequel la proportion du polymère solide hydrophobe est comprise entre 1 et 80 %, plus particulièrement entre 5 et 40 %, en poids,du revêtement composite.
- La pulvérisation cathodique simultanée du composé chalcogéné lamellaire et du polymère solide hydrophobe, et la pulvérisation cathodique préliminaire éventuelle du métal formateur de sulfure, sont maintenues pendant des temps conduisant à des couches d'épaisseur suffisante, c'est-à-dire des couches d'épaisseur généralement égale à 1,5 à 2 fois la hauteur de sa rugosité, mesurée entre sommets et creux.
- Les surfaces revêtues par le procédé selon l'invention peuvent appartenir à des organes mécaniques de toute nature qui sont destinés à frotter sur d'autres surfaces, par exemple des arbres, des paliers, des roulements à billes ou à rouleaux, en particulier des organes d'intruments microtechniques ou de pièces d'horlogerie, par exemple des arbres et des pivots de mécanismes de montres, notamment des arbres de balancier et des roues d'engrenage de montres.
- Les exemples ci-après illustrent l'invention sans la limiter.
- On utilise un appareil de pulvérisation cathodique à vide poussé dans lequel la pression peut être réglée entre O,1 millibar et 0,0001 millibar. Les porte-cathodes peuvent être portés à un potentiel alternatif de plusieurs kV à une fréquence de 13 MHz et les porte-anodes peuvent être portés à un potentiel négatif continu de plusieurs kV. Des pièces à revêtir en acier, en l'occurence des disques pour l'essai d'usure bille/disque, sont fixés à un porte-anode, face à deux porte-cathodes, dont l'un est constitué de nickel par exemple, et l'autre est constitué d'un mélange MoS2/PTFE dans le rapport de 80/20 en poids, en particules plus petites que 1 pm et qui a été comprimé à froid sous une pression de 5000 bar. Avant la pulvérisation, on décape les disques en les soumettant à un bombardement ionique dans un gaz rare. Pour des raisons économiques, on utilise de préférence l'argon comme gaz rare. Pendant ce traitement de décapage, les cathodes de pulvérisation sont masquées par un écran, là pression d'argon est de 0,01 millibar l'anode a un potentiel négatif par rapport à la masse de 800 V. La puissance spécifique cathodique est de 3,3 W/cm pendant le décapage, alors qu'elle est de 5,4 W/cm dans les opérations subséquentes.
- Une fois le décapage achevé, on découvre la cathode de nickel dans l'exemple présent. on maintient la pression d'argon à O,Ol millibar, on abaisse la tension de l'anode par rapport à la masse à -100 V et on laisse le métal de la cathode se déposer sur l'acier par pulvérisation cathodique pour former la couche de métal sulfurable. Une fois cette couche déposée, on ajoute à l'argon de l'hydrogène sulfuré sous une pression partielle de 0,001 millibar, la pression totale restant de 0,01 millibar et on laisse la tension de l'.anode inchangée à -100 V, pendant que la couche de nickel ou de cobalt se sulfure. Ensuite on interrompt l'arrivée de H2S, on connecte l'anode à la masse, on démasque la cathode de MOS2/PTFE et on pulvérise cette dernière cathodiquement afin de déposer la couche de lubrifiant solide composite sur les disques.
- Les durées des différents traitements sont en général 10 min. pour le décapage, 1 h. pour le dépôt du métal sulfurable, 30 sec. pour la sulfuration et 30 min. pour le dépôt du lubrifiant solide composite.
- Des essais ont montré que l'argon ne devrait pas contenir plus de 0,01 % d'impuretés résiduelles.
- Dans cet exemple, le nickel peut être remplacé par le cobalt, le rhodium, le ruthénium, le chrome, le tungstène, le palladium, le cuivre, le silicium, le hafnium, le niobium, le titane, le molybdène, le tantale et leurs alliages en tant que métaux sulfurables.
- Les résultats des essais d'usure sont donnés dans le tableau I ci-après.
-
- Le procédé de revêtement décrit dans l'exemple précédent a été appliqué à des bagues de roulements à billes et les roulements ont été soumis à des déterminations comparatives du nombre de tours requis pour dépasser la valeur de 20 g.cm pour le couple de roulement M.
- Les roulements traités sont du type RMB-RA 6190X-J 630/1* sans cage. Les bagues interne et externe ont été revêtues de MoS2 PTFE sur couche porteuse de cobalt sulfuré et, à titre de comparaison, de MoS2 seul. Les billes étaient en acier AISI 440C, respectivement en acier AISI 52100 (DIN 100Cr6) revêtu de TiC.
- Les mesures ont été effectuées dans une humidité relative de 50 %. La vitesse de rotation était de 60 tours/min.
-
- L'amélioration de la durée de vie du lubrifiant solide obtenue grâce à l'invention ressort clairement des résultats ci- dessus.
- * roulements miniatures de la maison Roulements Miniatures SA, CH-2500 Bienne (RMB).
- Des axes (en acier) de balancier de montre mécanique du calibre MST 522 ont été traités de la manière décrite dans l'exemple précédent afin de recevoir successivement une couche porteuse de cobalt sulfuré et un revêtement lubrifiant composite de MoS2 et PTFE. Les balanciers munis des axes ainsi traités ont été soumis à un essai au moyen du Balisomètre du Laboratoire Suisse de Recherches Horlogères d'une durée totale de 90 jours au cours desquels l'amplitude de l'oscillation des balanciers en position horizontale a été mesurée périodiquement. Pendant l'essai, les axes étaient exposés à une atmosphère d'humidité relative de 40 à 50 % et d'une température de 20 à 22°C. A titre comparatif, le même essai a été appliqué à des balanciers dont les axes étaient revêtus d'une couche de MoS2 seul. Les résultats sont donnés dans le tableau III ci-après, où chaque valeur est la moyenne des mesures réalisées sur 5 pièces.
- L'amplitude de l'oscillation des balanciers dont les axes étaient traités conformément à l'invention est restée supérieure à celle des balanciers dont les axes étaient pourvus d'un revêtement de MoS2 seul pendant toute la durée de l'essai. En position verticale des balanciers, une amélioration relative semblable a été obtenue.
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