La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation d'une composition lubrifiante solide destinée à diminuer le frottement et l'usure d'une première pièce, notamment en un matériau relativement tendre, telle une roue d'engrenage en un alliage de cuivre, contre une deuxième pièce, notamment en un matériau relativement dur, tel un pignon en acier et d'autre part, une pièce revêtue d'une telle composition.
Les alliages de cuivre, tels que cuivre-béryllium et laiton, sont souvent utilisés en raison de la facilité de leur usinage pour la réalisation des roues dentées intervenant dans des engrenages miniatures, ou micromécaniques; l'autre élément de l'engrenage, de petite dimension, étant le plus souvent en un matériau dur, tel l'acier. En l'absence de toute lubrification, les frottements, entre la roue dentée et le pignon, sont élevés et l'usure de la roue dentée est passablement rapide. Ce problème n'est pas résolu en revêtant la roue dentée d'une couche d'or ou d'une couche de passivation (oxydation de la surface de l'alliage), comme cela est parfois utilisé. L'usure de la roue dentée peut être diminuée en recourant à des lubrifiants liquides, tels ceux utilisés en horlogerie.
Cependant de tels lubrifiants liquides ont d'une part, une faible durée d'efficacité et introduisent d'autre part, du fait de leur viscosité et des effets capillaires, des forces parasites qui peuvent être importantes lorsque les forces mises en jeu sont faibles.
On connaît, par ailleurs, divers moyens de réaliser des couches lubrifiantes solides mais celles-ci sont, dans le cas des petits engrenages, difficiles voire impossibles à utiliser. Les tolérances de fabrication, par exemple, imposent une épaisseur de deux à trois microns de la couche lubrifiante. Cela exclut donc les vernis de glissement qui ne peuvent être déposés en couches suffisament minces. Les dépôts de couche en phase vapeur (chemical vapour deposition) sont réalisés à température trop élevée et, de plus, nécessitent une opération de polissage après dépôt qui se révèle impraticable sur des roues dentées de faible dimension. Les traitements par pulvérisation cathodique ont le désavantage d'être directifs et il est alors nécessaire de disposer d'un appareillage qui assure la rotation des pièces pendant le traitement.
Ces deux dernières méthodes mentionnées ne sont pas économiquement utilisables pour des fabrications en quantité. Les traitements de type électrochimique ne sont pas davantage envisageables car ils ne permettent pas d'obtenir les qualités de surface requises et, de plus, on ne connaît pas de couche lubrifiante réalisable à l'aide de cette technique.
Aussi un objet de la présente invention est une composition lubrifiante solide capable d'être déposée sur des petites pièces et ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Un autre objet de l'invention est une composition lubrifiante solide capable d'être déposée sur une pièce en métal relativement doux devant être en contact avec une pièce en métal relativement dur.
Un autre objet de l'invention est un procédé permettant de réaliser une composition lubrifiante solide sur une pièce micromécanique.
L'invention est définie dans les revendications.
Selon une autre forme particulière de réalisation de l'invention, le traitement thermique est effectué après le dépôt de ladite première couche et avant le dépot de ladite deuxième couche.
Selon une autre forme particulière de réalisation de l'invention, le dépôt de ladite première couche est effectué par voie chimique.
Les pièces en un matériau relativement doux, tel les alliages de cuivre, revêtues selon les caractéristiques de l'invention offrent, lorsqu'elles sont utilisées avec une pièce en un matériau relativement dur, tel l'acier, un coefficient de frottement très faible et une usure inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des pièces non revêtues.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la description suivante d'exemples de réalisation particuliers; ladite description étant faite à titre purement illustratif.
Le procédé de l'invention a été appliqué sur trois pièces identiques dont les matériaux étaient les suivants: alliage cuivre-béryllium mou, alliage cuivre-béryllium durci et laiton.
La couche de nickel-phosphore, d'une épaisseur d'environ deux à huit microns, a été déposée par voie chimique selon un procédé conventionnel.
A l'issue du traitement de dépôt, la couche de nickelphosphore se compose, entre autres choses, de 6 à 12% de phosphore.
Le dépôt de la première couche est suivi du dépôt d'une fine couche d'or d'une épaisseur d'environ 0,1 à 0,8 mu m, puis les pièces sont soumises à un traitement thermique sous vide à une température de 250 DEG pendant six heures.
Pour chacune des pièces traitées, le coefficient de frottement maximum FR et le taux d'usure totale TU sont comparés à ceux des pièces non traitées dans les tableaux suivants:
<tb><TABLE> Columns=3
<tb>Title: Tableau 1: pièce en cuivre-béryllium mou
<tb>Head Col 01 AL=L: Traitement
<tb>Head Col 02 AL=L: FR
<tb>Head Col 03 AL=L: TU 10<-15> m<3>/Nm
<tb> <SEP>avec <SEP>0.29 <SEP>0.5
<tb> <SEP>sans <SEP>0.82 <SEP>780
<tb></TABLE>
<tb><TABLE> Columns=3
<tb>Title: Tableau 2: pièce en cuivre-béryllium durci
<tb>Head Col 01 AL=L: Traitement
<tb>Head Col 02 AL=L: FR
<tb>Head Col 03 AL=L: TU 10<-15> m<3>/Nm
<tb> <SEP>avec <SEP>0.31 <SEP>1.4
<tb> <SEP>sans <SEP>0.87 <SEP>276
<tb></TABLE>
<tb><TABLE> Columns=3
<tb>Title: Tableau 3: pièce en laiton
<tb>Head Col 01 AL=L: Traitement
<tb>Head Col 02 AL=L: FR
<tb>Head Col 03 AL=L:
TU 10<-15> m<3>/Nm
<tb> <SEP>avec <SEP>0.35
<tb>Head Col 03 AL=L: 0.70
<tb> <SEP>sans
<tb>Head Col 02 AL=L: 0.55 <SEP>960
<tb> <SEP>sans mais avec lubrifiants liquides
<tb> <SEP>0.14-0.22 <SEP>3.4-12
<tb></TABLE>
Les tableaux 1 à 3 illustrent l'effet de lubrification et l'amélioration de l'usure des pièces revêtues conformément à la présente invention. Les coefficients de frottement et les taux d'usure ont été mesurés à l'aide d'appareils de mesure du type pion-disque ayant les caractéristiques suivantes:
- pion: acier 20AP durci (700 HV);
- disque: alliage cuivreux revêtu selon l'invention;
- vitesse de glissement: 1 cm/s;
- humidité relative: 57%.
On constate que les pièces revêtues avec la composition selon l'invention, par rapport aux pièces non traitées mais utilisées avec un lubrifiant liquide conventionnel, présentent une amélioration notable de l'usure des pièces et par rapport aux pièces ni traitées ni huilées, montrent une amélioration du coefficient de frottement d'un facteur deux et du taux d'usure de plus de trois ordres de grandeur. Le traitement thermique des pièces revêtues a pour effet de durcir la couche de nickel-phosphore; il peut être effectué avant ou après le dépôt de la couche fine d'or.
De préférence, le traitement thermique des pièces est effectué à une température comprise entre 200 et 600 DEG C pendant une durée comprise entre 1 et 6 heures.
Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'exemples de réalisation particuliers, il est clair qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine. En particulier, les revêtements décrits sont applicables à d'autres types de pièces que celles constituant des engrenages miniatures.
The present invention relates to a process for producing a solid lubricating composition intended to reduce friction and wear on a first part, in particular made of a relatively soft material, such as a gear wheel made of a copper alloy, against a second part, in particular of a relatively hard material, such as a steel pinion and on the other hand, a part coated with such a composition.
Copper alloys, such as copper-beryllium and brass, are often used because of the ease of their machining for the production of toothed wheels involved in miniature, or micromechanical gears; the other element of the gear, of small dimension, being most often made of a hard material, such as steel. In the absence of any lubrication, the friction between the toothed wheel and the pinion is high and the wear of the toothed wheel is fairly rapid. This problem is not solved by coating the toothed wheel with a layer of gold or a passivation layer (oxidation of the surface of the alloy), as is sometimes used. The wear of the toothed wheel can be reduced by using liquid lubricants, such as those used in watchmaking.
However, such liquid lubricants have, on the one hand, a short duration of effectiveness and, on the other hand, introduce, due to their viscosity and capillary effects, parasitic forces which can be significant when the forces involved are low.
Furthermore, various means are known for producing solid lubricating layers, but these are, in the case of small gears, difficult or even impossible to use. Manufacturing tolerances, for example, impose a thickness of two to three microns of the lubricating layer. This therefore excludes sliding varnishes which cannot be deposited in sufficiently thin layers. Chemical vapor deposition coatings are carried out at too high a temperature and, moreover, require a polishing operation after deposition which proves impractical on small toothed wheels. Sputtering treatments have the disadvantage of being directive and it is then necessary to have an apparatus which ensures the rotation of the parts during the treatment.
These last two methods mentioned are not economically usable for mass production. Treatments of the electrochemical type are no more conceivable since they do not make it possible to obtain the required surface qualities and, moreover, there is no known lubricating layer achievable using this technique.
Also an object of the present invention is a solid lubricating composition capable of being deposited on small parts and not having the drawbacks mentioned above.
Another object of the invention is a solid lubricating composition capable of being deposited on a piece of relatively soft metal to be in contact with a piece of relatively hard metal.
Another object of the invention is a method for producing a solid lubricating composition on a micromechanical part.
The invention is defined in the claims.
According to another particular embodiment of the invention, the heat treatment is carried out after the deposition of said first layer and before the deposition of said second layer.
According to another particular embodiment of the invention, the deposition of said first layer is carried out chemically.
The parts made of a relatively soft material, such as copper alloys, coated according to the characteristics of the invention offer, when used with a part made of a relatively hard material, such as steel, a very low coefficient of friction and wear that is several orders of magnitude lower than that of uncoated parts.
Other objects, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of particular embodiments; said description being given purely by way of illustration.
The method of the invention was applied to three identical parts, the materials of which were as follows: soft copper-beryllium alloy, hardened copper-beryllium alloy and brass.
The nickel-phosphorus layer, about two to eight microns thick, was deposited chemically using a conventional process.
At the end of the deposition treatment, the nickelphosphorus layer consists, among other things, of 6 to 12% of phosphorus.
The deposition of the first layer is followed by the deposition of a thin layer of gold with a thickness of approximately 0.1 to 0.8 μm, then the parts are subjected to a heat treatment under vacuum at a temperature of 250 DEG for six hours.
For each of the parts treated, the maximum friction coefficient FR and the total wear rate TU are compared with those of the parts not treated in the following tables:
<tb> <TABLE> Columns = 3
<tb> Title: Table 1: piece of soft copper-beryllium
<tb> Head Col 01 AL = L: Treatment
<tb> Head Col 02 AL = L: FR
<tb> Head Col 03 AL = L: TU 10 <-15> m <3> / Nm
<tb> <SEP> with <SEP> 0.29 <SEP> 0.5
<tb> <SEP> without <SEP> 0.82 <SEP> 780
<tb> </TABLE>
<tb> <TABLE> Columns = 3
<tb> Title: Table 2: hardened copper-beryllium part
<tb> Head Col 01 AL = L: Treatment
<tb> Head Col 02 AL = L: FR
<tb> Head Col 03 AL = L: TU 10 <-15> m <3> / Nm
<tb> <SEP> with <SEP> 0.31 <SEP> 1.4
<tb> <SEP> without <SEP> 0.87 <SEP> 276
<tb> </TABLE>
<tb> <TABLE> Columns = 3
<tb> Title: Table 3: brass part
<tb> Head Col 01 AL = L: Treatment
<tb> Head Col 02 AL = L: FR
<tb> Head Col 03 AL = L:
TU 10 <-15> m <3> / Nm
<tb> <SEP> with <SEP> 0.35
<tb> Head Col 03 AL = L: 0.70
<tb> <SEP> without
<tb> Head Col 02 AL = L: 0.55 <SEP> 960
<tb> <SEP> without but with liquid lubricants
<tb> <SEP> 0.14-0.22 <SEP> 3.4-12
<tb> </TABLE>
Tables 1 to 3 illustrate the lubrication effect and the improvement in wear of the coated parts in accordance with the present invention. The coefficients of friction and the wear rates were measured using pion-disc type measuring devices having the following characteristics:
- pin: hardened 20AP steel (700 HV);
- disc: coated copper alloy according to the invention;
- sliding speed: 1 cm / s;
- relative humidity: 57%.
It is found that the parts coated with the composition according to the invention, compared to the untreated parts but used with a conventional liquid lubricant, exhibit a significant improvement in the wear of the parts and compared to the parts neither treated nor oiled, show a improvement of the coefficient of friction by a factor of two and the wear rate by more than three orders of magnitude. The heat treatment of the coated parts has the effect of hardening the nickel-phosphorus layer; it can be carried out before or after the deposit of the thin layer of gold.
Preferably, the heat treatment of the parts is carried out at a temperature between 200 and 600 DEG C for a period of between 1 and 6 hours.
Although the present invention has been described in the context of particular embodiments, it is clear that it is capable of modification or variant without departing from its field. In particular, the coatings described are applicable to other types of parts than those constituting miniature gears.