Microtexturation de surface d’aciers par nitruration: application à l’étanchéité de garnitures mécaniques à contact lubrifié – MicroGaMe

La texturation de surface, à l’échelle micrométrique ou nanométrique, consiste à modifier la topographie d’une surface initialement plane, afin de créer des motifs (plots, trous, rainures, etc.) de façon plus ou moins régulière, modifiant ainsi les propriétés des surfaces micro- ou nano-texturées. Ce domaine de recherche suscite actuellement un très vif intérêt du fait des nombreuses applications sur des aspects aussi divers que l’adhésion, l’auto-nettoyage, la réduction de traînée, les biotechnologies, le frottement, etc. Les technologies d’applications développées aujourd'hui, principalement destinées aux matériaux semi-conducteurs, et dans une moindre mesure aux polymères, mettent en œuvre des techniques sophistiquées et onéreuses telles que la lithographie électronique par exemple.
L'originalité du projet MicroGaMe réside dans le domaine d'application concerné : le frottement lubrifié, et plus particulièrement ses applications à l’étanchéité des garnitures mécaniques, composants d’étanchéité d’arbres tournants adaptés à des conditions de fonctionnement sévères, utilisés dans les pompes, turbines, compresseurs et agitateurs.
L’objectif principal est de développer, et d’optimiser une ou plusieurs techniques de texturation de surface à l’échelle micrométrique, faciles à mettre en œuvre à l'échelle industrielle, et apportant une véritable valeur ajoutée aux pièces en acier formant les éléments sensibles des garnitures mécaniques afin d'en améliorer les propriétés anti-frottement.
Les méthodes de texturation mises en œuvre reposeront sur des traitements de surface assistés par des plasmas froids, tels que les traitements thermochimiques de nitruration et/ou de carburation. La texturation de surface sera alors obtenue à l'aide de masques limitant le traitement plasma aux seules zones non couvertes par le masque. La conception du masque et le design des motifs (forme, dimensions, espacement, régularité, taux de couverture de la surface, etc.) seront réalisés sur la base d'une modélisation du comportement tribologique des surfaces en fonction de leur état de surface. Dans une seconde étape, les résultats obtenus sur des échantillons de laboratoire seront appliqués à des pièces réelles avant d'envisager un transfert à l'échelle industrielle.
Pour la réalisation du programme de recherche, le projet associe les compétences et spécificités de plusieurs partenaires académiques et industriels :
L'équipe ESPRITS de l’Institut Jean Lamour (UMR7198) développe, depuis deux ans, une technique de structuration de la surface d’aciers inoxydables austénitiques basée sur le traitement thermochimique de surface assisté par des plasmas froids. La structuration à l'échelle micrométrique résulte du mouvement de matière provoqué par le gonflement de la maille du matériau traité suite à l'incorporation d'éléments métalloïdes dans le réseau cristallin. Des grilles ou des tissus métalliques jouent le rôle de masques pour transférer le motif attendu.
L’institut Pprime (UPR 3346) mène des activités aussi bien théoriques qu’expérimentales sur la lubrification des garnitures mécaniques pour liquides depuis une vingtaine d’années. Son expertise en modélisation du comportement tribologique des surfaces est un atout pour la détermination du type de texturation, et donc des motifs permettant de remplir les objectifs industriels recherchés.
La société Latty International apporte son expertise dans la fabrication de produits d’usure renouvelables. Elle fabrique entre autres, des garnitures mécaniques dont une des pièces sensibles en carbure de silicium pourrait être avantageusement remplacée par une pièce en acier inoxydable ayant été texturée par un traitement de nitruration.
La société Hydromécanique et Frottement (HEF) est quant à elle spécialisée dans le frottement de pièces métalliques et dans les traitements de surface. Elle dispose des installations adaptées au traitement de pièces à grande échelle et aux tests tribologiques à réaliser.