Revêtements résistants à l'usure : types et comment choisir le bon

Guide des revêtements résistants à l'usure

Chaque machine a une limite de rupture. En milieu industriel, cette limite est souvent atteinte par l'usure. L'usure de surface est causée par l'abrasion, le grippage et l'érosion. La surface finit par devenir inutilisable et la production s'arrête. Les coûts augmentent également. L'usure mécanique est la principale cause de défaillances dans les secteurs de la fabrication, du pétrole et du gaz, et de l'aérospatiale. Les dommages débutent généralement lentement, mais s'aggravent rapidement une fois amorcés.

La protection de surface est une solution. Un revêtement résistant à l'usure crée une barrière qui protège la surface de la machine contre toute agression. Un revêtement adapté prolonge la durée de vie de tout composant soumis à des vibrations constantes ou exposé à des produits chimiques agressifs. De nombreuses options de revêtement sont disponibles, allant de l'anodisation dure aux systèmes en carbure pour les équipements industriels lourds.

ProLean Tech aide les ingénieurs et les équipes d'approvisionnement à trouver des solutions de protection de surface adaptées à leurs conditions d'exploitation. usinage de métaux sur mesure services. Ce guide expliquera les différences entre la projection thermique et placage autocatalytique au nickelou vous aider à choisir celui qui convient le mieux à votre outillage soumis à une forte usure.

Qu'est-ce qu'un revêtement résistant à l'usure ?

Tuyaux et vannes industriels

Le revêtement anti-usure protège les composants de machines contre les dommages causés par le frottement, les chocs et les agressions chimiques. Ce revêtement ne modifie que la couche externe et non le matériau de base. Il permet d'accroître la dureté, de réduire le frottement ou d'améliorer la résistance chimique sans altérer la forme ni les propriétés mécaniques intrinsèques de la pièce.

Ce revêtement ne se contente pas de ralentir la défaillance ; il modifie les propriétés de la surface, réduit le frottement et accroît la résistance à la corrosion. Il permet aux pièces de fonctionner de manière fiable dans des environnements où elles s’useraient rapidement. Le matériau de base supporte toujours la charge structurelle, tandis que le revêtement protège la surface des agressions extérieures.

Comment fonctionnent les revêtements résistants à l'usure ?

Selon leur composition, différents revêtements protègent divers mécanismes. Les revêtements durs, tels que l'oxyde de tungstène ou le carbure de chrome, créent une surface plus dure que le matériau avec lequel ils sont en contact, empêchant ainsi l'arrachement de matière. Les revêtements à faible coefficient de frottement, comme le PTFE et le DLC, réduisent le transfert d'énergie lors du glissement, limitant ainsi l'usure par adhérence. Les revêtements barrières, tels que les époxydes ou les oxydes céramiques, bloquent les produits chimiques et l'humidité.

Il est également important de considérer le mode d'application du revêtement. Les procédés de projection thermique utilisent des particules fondues pour créer un revêtement épais et bien adhérent. Les procédés PVD et CVD déposent des revêtements à l'échelle atomique pour un contrôle précis et une forte adhérence. Les procédés électrochimiques, tels que l'anodisation ou le dépôt chimique en phase vapeur, créent des couches superficielles par des réactions chimiques contrôlées.

Quelle est la différence entre la résistance à l'usure, à l'abrasion et à la corrosion ?

Ces termes sont souvent utilisés indifféremment, mais ils ont des significations différentes. La résistance à l'usure désigne la résistance générale aux dommages de surface causés par le contact mécanique. Les revêtements anti-abrasion protègent contre les dommages causés par le frottement de particules dures ou de surfaces rugueuses sur un composant. Ce type de revêtement est courant dans les secteurs minier, du broyage et des convoyeurs. Les revêtements anticorrosion sont conçus pour protéger contre les dommages électrochimiques et chimiques, tels que la rouille, l'oxydation et les attaques chimiques par les fluides et les gaz.

Dans les applications concrètes, les revêtements doivent pouvoir résister à plusieurs fluides simultanément. Dans une usine chimique, un composant de pompe peut être exposé à la fois à des fluides abrasifs et à des liquides corrosifs. Il lui faut donc un revêtement capable de le protéger des deux.

Comprendre les types d'usure

Revêtement céramique pour une meilleure résistance à l'usure

Il est impératif d'identifier précisément le type d'usure affectant la pièce avant de choisir un revêtement. Un revêtement destiné à durcir la surface ne résoudra pas les problèmes liés aux micromouvements et vibrations à l'origine des dommages. Chaque type d'usure présente des symptômes spécifiques et requiert une solution adaptée.

Frettage

Le frottement est l'enlèvement progressif de matière entre deux surfaces en contact et soumises à de légers mouvements de va-et-vient, généralement dus à des vibrations. Il peut laisser des dépôts oxydés et une corrosion localisée. Le frottement est fréquent sur les culasses, les chemins de roulement des roulements à billes et les surfaces d'assemblage boulonnées. Les produits anti-friction agissent en augmentant la dureté superficielle des surfaces et en réduisant le microglissement entre elles.

• Revêtements en carbure de tungstène sur les surfaces des roulements et des chemins de roulement
• Les revêtements des culasses sont résistants au frottement thermique et mécanique.
• Les surfaces de contact nécessitant des tolérances serrées peuvent être chromées dures ou nickelées chimiquement.

Exaspérant

Le grippage se produit lorsque deux surfaces glissant l'une contre l'autre se bloquent puis se séparent sous l'effet d'une forte pression. Ce phénomène provoque un transfert de matière d'une surface à l'autre. L'aluminium, l'acier inoxydable et le titane sont particulièrement sensibles à ce problème. Cette corrosion est fréquente dans les vérins hydrauliques et les bagues.

Les revêtements anti-grippage peuvent prévenir ce phénomène en créant une couche intermédiaire dure ou lisse.

• Les revêtements en carbure de tungstène offrent une dureté de surface maximale
• Alliages de laiton et de bronze pour le revêtement de surfaces métalliques plus tendres
• Revêtements polymères à base de PTFE pour contact glissant à faible frottement

Usure érosive

L'impact répété de particules solides ou de gouttes de liquide sur une surface peut provoquer une usure érosive. Ce problème est fréquent dans les secteurs de l'imprimerie, des mines et des hydrocarbures, où les fluides contiennent des abrasifs. Les revêtements anti-érosion augmentent la dureté de la surface afin d'absorber les chocs sans perte de matière.

La réparation des rouleaux encreurs sur les presses d'imprimerie en est un bon exemple. Les revêtements par projection thermique de carbure permettent de restaurer la géométrie de surface des rouleaux soumis à des impacts constants de fluides et de particules, et d'en prolonger la durée de vie.

L'usure abrasive

Lorsque des particules dures ou des surfaces rugueuses frottent ou entaillent des matériaux plus tendres, elles provoquent une usure abrasive. C'est le type d'usure le plus fréquent en fabrication et en usinage. Les revêtements anti-abrasion interposent un matériau dur entre l'abrasif, le substrat et l'abrasif, protégeant ainsi des métaux comme l'aluminium, le cuivre et le nickel.

On peut citer comme exemples les rouleaux de pliage utilisés en imprimerie, les arêtes de coupe des outils d'usinage et les surfaces sujettes à l'écaillage sous l'effet de charges répétées. Il est important de maintenir des dimensions aussi précises que possible et de limiter l'enlèvement de matière.

Types de revêtements

Spray pour revêtement résistant à l'usure 

Une fois le type d'usure déterminé, l'étape suivante consiste à adapter la composition chimique du revêtement à sa méthode d'application. Les types de revêtements résistants les plus courants et leurs applications optimales sont présentés ci-dessous.

Revêtements par pulvérisation thermique

La projection thermique est un terme générique qui englobe plusieurs procédés, notamment la projection plasma, la projection HVOF, la projection à fil d'arc et la projection à la flamme. Ces procédés consistent tous à projeter des particules fondues ou semi-fondues sur une surface afin de créer un revêtement dense et adhérent. Ces revêtements offrent une excellente protection contre l'usure, la corrosion et l'érosion dans les secteurs de l'aérospatiale, du pétrole et du gaz, ainsi que dans la production d'énergie.

Le procédé HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) permet d'obtenir des revêtements extrêmement denses et peu poreux. Ce type de revêtement est largement utilisé sur les trains d'atterrissage, les pièces de turbines et les roues de pompes des aéronefs. La projection plasma peut être utilisée pour revêtir les céramiques et les cermets. Ces matériaux offrent à la fois une protection contre l'usure et une fonction de barrière thermique.

Revêtements en carbure

Les revêtements les plus difficiles à appliquer sont les revêtements en carbure, notamment en carbure de tungstène et en carbure de chrome. Leur application se fait par projection thermique (principalement HVOF) ou par plasma. Ils protègent contre l'abrasion, l'érosion, le frottement et le grippage. Ces revêtements sont largement utilisés dans des secteurs tels que le pétrole et le gaz, l'exploitation minière et l'aérospatiale, où les composants sont constamment exposés à une usure extrême et à des contraintes mécaniques à fort impact.

Les composés de carbure suivants sont couramment utilisés :

• Le carbure de tungstène (WC-Co) possède la plus grande dureté dans des conditions d'abrasion extrêmes.
• Carbure de tungstène avec cobalt/chrome : résistance à la corrosion et protection contre l’usure renforcées
• Nickel/chrome et carbure de chrome : choix optimal pour les applications à haute température jusqu'à environ 900 degrés Celsius
• Carbure de tungstène, nickel et cobalt : Convient aux environnements corrosifs où le cobalt peut ne pas être approprié.

Revêtements en céramique

Des matériaux comme le zirconium, le titane et l'oxyde d'aluminium sont utilisés dans les revêtements céramiques. Ces revêtements protègent contre l'abrasion, les agressions chimiques et l'usure par frottement. Ils peuvent être appliqués par projection plasma, par canon à détonation ou par d'autres méthodes. Parmi les applications concrètes courantes, on peut citer les revêtements de barrière thermique sur les aubes de turbines de moteurs à réaction, les revêtements résistants à l'usure dans les pompes industrielles et les couches protectrices sur les implants orthopédiques où la biocompatibilité et la durabilité sont toutes deux essentielles.

Ces revêtements peuvent être utilisés sur des pièces automobiles, des implants médicaux et des outils de coupe. Leur inertie chimique les rend résistants aux liquides corrosifs, et leur dureté leur permet de supporter l'usure abrasive. Des agents d'étanchéité peuvent être ajoutés pour assurer une protection anticorrosion même dans les environnements les plus agressifs.

Revêtements DLC (carbone de type diamant)

Les revêtements DLC se comportent comme des diamants naturels. Ils sont extrêmement durs, présentent un faible coefficient de frottement et résistent aux produits chimiques. Ils constituent un excellent choix pour les applications exigeant un faible frottement et une haute résistance à l'usure.

Les principaux utilisateurs sont les pièces automobiles, comme les composants de distribution, les segments de piston et les dispositifs médicaux. Le faible frottement et la dureté réduisent les pertes d'énergie des pièces mobiles, tout en prévenant la fatigue des surfaces et l'usure par adhérence.

Revêtements à base de polymères

Les revêtements polymères sont disponibles dans une variété de matériaux, notamment des mélanges de PTFE et de FEP, du PVDF, des polyuréthanes époxy et des mélanges de fluoropolymères Xylan. Les revêtements polymères, tels que le PTFE, offrent une excellente résistance à la corrosion et à l'usure, mais leur résistance à l'usure est souvent inférieure à celle des revêtements plus durs comme le carbure ou le DLC.Ces produits sont idéaux pour les bandes transporteuses et les équipements de transformation alimentaire. Ils conviennent également aux roulements et autres surfaces nécessitant une résistance chimique.

Le PTFE offre une excellente résistance aux hautes températures et constitue le revêtement d'origine. Le FEP possède des caractéristiques similaires au PTFE, avec une résistance à l'abrasion améliorée. Les systèmes époxy offrent une bonne résistance aux chocs et représentent une solution économique pour la protection contre la corrosion et l'abrasion dans les environnements moins exigeants.

Placage autocatalytique au nickel

Le nickelage chimique ne nécessite aucun courant électrique pour déposer une couche uniforme de nickel-phosphore sur des pièces aux formes complexes. Cette uniformité est idéale pour les pièces aux formes complexes, présentant des caractéristiques internes ou des alésages. L'électrodéposition, quant à elle, peut s'avérer difficile à réaliser de manière uniforme.

Ce revêtement offre une bonne dureté, une résistance à la corrosion et une lubrification naturelle. Il est particulièrement efficace sur le titane et l'aluminium. Moins nocif pour l'environnement, il ne provoque pas de fragilisation par l'hydrogène, un phénomène pouvant affecter les pièces à haute résistance.

Chromage dur et anodisation

Le chromage dur offre une résistance à la corrosion et à l'usure tout en réduisant le frottement. Il est utilisé sur les vérins hydrauliques et les tiges de piston, ainsi que sur les rouleaux industriels qui doivent respecter des tolérances dimensionnelles strictes pour une longue durée de vie.

Le traitement de surface le plus courant pour l'aluminium est anodisation à couche dureLe revêtement dur de type III forme une couche dense et épaisse d'oxyde d'aluminium qui augmente la dureté de la surface et sa résistance à l'usure. Vous pouvez choisir le niveau de protection le plus adapté en connaissant les différences entre les différents types de revêtements. anodisation de type II par rapport à l'anodisation de type IIILe type II est idéal pour les pièces en aluminium soumises à une usure importante. Le type III, quant à lui, offre une protection générale contre la corrosion.

Revêtement de conversion à l'alodine

Revêtement à l'alodine Il s'agit d'un revêtement de conversion au chromate pour l'aluminium. Il protège contre la corrosion et offre une excellente adhérence pour les peintures et les apprêts. Sa résistance à l'usure est inférieure à celle de la projection thermique ou de l'anodisation, mais il assure une bonne protection contre les produits chimiques sans altérer les dimensions des pièces. Cela le rend idéal pour les boîtiers électroniques et les composants aérospatiaux où la précision dimensionnelle est essentielle.

Quelle est la différence entre un revêtement améliorant et un revêtement résistant à l'usure ?

Le terme « revêtements améliorés » désigne tout type de revêtement qui améliore les performances de surface d'un composant. Il comprend des améliorations thermiques, électriques et esthétiques, ainsi qu'une meilleure résistance à l'usure. Ce revêtement est un type de revêtement amélioré qui protège contre les dommages mécaniques et tribologiques.

Comparaison de différents types

Pour choisir le revêtement le plus adapté, plusieurs facteurs sont à prendre en compte. Ce tableau compare les types de revêtements les plus courants.

Applications pour des industries spécifiques

Revêtement résistant à l'usure 

Les revêtements les plus résistants à l'usure et à la corrosion ne sont pas forcément les plus adaptés à toutes les applications.

Industrie automobile

Les revêtements thermiques et DLC réduisent la friction dans les composants du moteur, tels que les pistons et les pièces de la distribution. Ces revêtements sont également résistants à l'usure, même à haute température. Revêtements en téflon sur acier inoxydable Ces composants sont utilisés dans le système d'alimentation en carburant, les corps de papillon et d'autres zones où une résistance chimique est requise.

Industrie aérospaciale

Les revêtements des trains d'atterrissage, des pales et des composants structuraux doivent assurer une résistance à la corrosion et à la fatigue. Le train d'atterrissage est recouvert d'une couche de carbure de tungstène ou de chrome projetée thermiquement par HVOF. L'anodisation dure et d'autres revêtements protègent les composants en aluminium de la cellule. L'application de revêtements de barrière thermique céramique sur les pales de turbine permet d'allonger leur durée de vie dans les environnements de combustion à haute température.

Industrie du pétrole et du gaz

Les tuyaux, les pompes et les vannes sont exposés à des conditions agressives, abrasives et chimiques. Les revêtements thermiques en carbure protègent contre l'érosion causée par les fluides de process. L'association de céramique et de mastics d'étanchéité permet d'obtenir une résistance à l'abrasion et à la corrosion dans les zones exposées à ces deux agressions.

Fabrication et usinage

Les outils de coupe revêtus de DLC, de DLC céramique ou de carbure conservent leur tranchant plus longtemps. Cela améliore la qualité et réduit les temps d'arrêt. Pour les surfaces de moules, le chromage dur ou le nickelage chimique sont les meilleurs choix. 

La protection des composants des systèmes de convoyage, des surfaces des rouleaux et autres surfaces contre l'exposition continue aux matériaux abrasifs est assurée par des polymères et du carbure. Les revêtements anti-usure sont de plus en plus intégrés aux procédés d'usinage des métaux sur mesure plutôt que d'être considérés comme un ajout ultérieur.

Médical et dentaire

Les deux principales options sont le DLC et le nitrure de titane. Le DLC et le nitrure de titane sont les deux principaux ions utilisés. Ces matériaux sont chimiquement et physiquement inertes. Ils peuvent donc résister aux cycles de stérilisation.

Comment choisir le bon manteau résistant à l'usure

Le choix d'un revêtement ne doit pas se fonder uniquement sur le prix. De nombreuses options existent. Un revêtement bon marché, mais qui se détériore en six mois, coûtera plus cher qu'un revêtement de qualité supérieure qui dure cinq ans.

Les principaux facteurs de sélection

Tenez compte de ces facteurs avant de prendre une décision finale.

• Type d'usure : identifier le mode de défaillance principal, tel que l'abrasion ou l'érosion.
• Céramique et cermet Les revêtements peuvent résister à des températures élevées ; les revêtements polymères sont moins résistants.
• Environnement chimique : Les fluides anticorrosion nécessitent une forte résistance chimique, comme les céramiques, le nickel autocatalytique ou les fluoropolymères.
• Aluminium, titane et acier Chacun possède des procédés de revêtement différents, compatibles ou incompatibles.
• Tolérance dimensionnelle: Le nickelage chimique et le PVD sont fins et uniformes, tandis que la projection thermique ajoute de l'épaisseur.
• Finition de surface: Certains revêtements nécessitent un ponçage ultérieur, tandis que d'autres peuvent être appliqués directement sur la surface brute.
• Chrome dur La présence de chrome hexavalent pose problème ; l’anodisation et le nickelage chimique sont de meilleures alternatives.

Réparation et restauration des composants

Non seulement les pièces neuves sont revêtues de traitements anti-usure, mais la projection thermique permet également de remettre en état les composants usés ou endommagés. Ces derniers sont ensuite réusinés à leurs dimensions d'origine. Il s'agit de la méthode standard pour les composants coûteux tels que les arbres de turbines et les vérins hydrauliques. Cette méthode est largement utilisée dans la maintenance, la réparation et la révision (MRO) des secteurs de l'aérospatiale, des machines industrielles et de la production d'énergie.

Éviter les erreurs courantes lors du choix d'un revêtement résistant à l'usure

Revêtement anodisé sur les pièces en aluminium

Même les ingénieurs expérimentés peuvent commettre des erreurs lors du choix des revêtements. Ces erreurs peuvent entraîner des défaillances prématurées, des gaspillages d'argent ou des problèmes de compatibilité qui ne se manifestent qu'en conditions réelles d'utilisation. La dureté est importante, mais ce n'est pas le seul facteur à prendre en compte lors du choix d'un revêtement. Un revêtement très dur et cassant appliqué sur une pièce soumise à des chocs peut se fissurer et s'écailler.

La préparation de la surface est importante : l’adhérence dépend de la qualité de celle-ci. Les surfaces contaminées ou mal préparées ne permettent pas une bonne adhérence du revêtement, quelle que soit sa qualité. Si l'on néglige la différence de dilatation thermique (les substrats et les revêtements se dilatent à des vitesses différentes), l'application d'une céramique sur de l'aluminium peut entraîner un délaminage lors de cycles thermiques.

Ne confondez pas résistance à la corrosion et résistance à l'usure. Un revêtement offrant une excellente résistance à la corrosion peut présenter une très faible résistance à l'usure, et inversement. Veillez à spécifier les deux exigences. Les revêtements par projection thermique constituent un véritable atout pour le matériau. Si cet aspect n'est pas pris en compte lors de la conception, cela peut engendrer des problèmes d'ajustement et de jeu dans les assemblages de précision.

Conclusion 

Les revêtements résistants à l'usure constituent un excellent investissement pour prolonger la durée de vie de vos équipements. Il existe une solution éprouvée à chaque problème, qu'il s'agisse de frottement sur les roulements, d'usure abrasive sur les outils de coupe ou d'érosion dans les équipements de production. Il est essentiel d'adapter le revêtement au type d'usure, au substrat et à l'environnement d'exploitation, plutôt que de choisir l'option la plus courante ou la moins chère.

ProLean Tech accompagne les ingénieurs dans ce processus en leur fournissant une expertise en matière de spécifications de traitement de surface et de services d'usinage de métaux sur mesure, prenant en compte les exigences de revêtement dès la conception. L'équipe peut vous aider à trouver la solution optimale pour votre application, qu'il s'agisse de choisir entre l'anodisation de type II et III pour les composants aérospatiaux en aluminium ou de trouver un placage nickel chimique pour les instruments de précision. Contactez ProLean Tech Contactez-nous aujourd'hui pour discuter de vos besoins en matière de protection des surfaces.

FAQ

Quel est le revêtement le plus résistant à l'usure disponible ?

Les revêtements DLC et carbure de tungstène sont les plus durs disponibles sur le marché. Ils atteignent une dureté de 70 HRC ou plus. Les revêtements tungstène-cobalt (WCCo) appliqués par projection à haute vitesse (HVOF) sont les plus efficaces dans des conditions abrasives à forte usure.

L'aluminium peut-il être recouvert d'un revêtement résistant à l'usure ?

Oui. La méthode la plus courante de protection contre l'usure de l'aluminium est l'anodisation dure. Ce procédé transforme la surface en une couche d'oxyde d'aluminium. Une autre option est le nickelage chimique, qui recouvre uniformément les pièces en aluminium. L'oxydation électrolytique par plasma (PEO), une alternative plus récente, offre une dureté supérieure et un bon respect de l'environnement.

Quelle est la durée de vie d'un revêtement résistant à l'usure ?

La durée de vie d'un revêtement dépend de son type, des conditions d'utilisation et de l'entretien. Les revêtements en carbure par projection thermique sur les rouleaux d'impression prolongent leur durée de vie de plusieurs semaines ou mois. Les revêtements DLC sont généralement appliqués aux composants de la distribution automobile et durent toute la durée de vie du moteur. Les revêtements de nickel chimique sur les pièces de précision peuvent les protéger pendant des années dans des environnements corrosifs.