La présente invention concerne un composant comprenant un alliage d'aluminium et de lithium revêtu d'un revêtement céramique. Ainsi que le procédé pour former le revêtement.
Les alliages d'aluminium contenant le lithium possèdent des propriétés intéressantes. Parmi elles on peut mentionner leur légèreté en comparaison aux autres alliages d'aluminium conventionnels. En effet, le lithium est le plus léger des éléments métallique et, pour chaque 1% de lithium ajouté à l'alliage d'aluminium permet de réduire de 3 % la densité de l'aluminium et d'augmenter de 5% son module élastique. Ce type d'alliage a également une grande résistance à la fatigue et à la corrosion, permettant ainsi d'allonger la durée de vie du produit. Ces alliages sont 100% recyclables. Les alliages d'aluminium contenant le lithium trouvent leurs applications dans les domaines de l'aéronautique, de l'aérospatiale et dans le militaire.
Cependant, ces alliages présentent une mauvaise résistance à l'usure et à la corrosion. En effet, malgré l'ajout de lithium, cet alliage, comme tous les alliages d'aluminium brut, présente des faiblesses à la corrosion et à l'usure et impacts.
Le document
Le document
Un but de la présente invention est de proposer un composant revêtu exempt des limitations des composants connus.
Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un composant comprenant un alliage d'aluminium comprenant entre 0.1 et 10 % en poids de lithium, caractérisé en ce ledit composant est traité à l'aide d'un procédé d'oxydation par micro-arc plasma permettant d'obtenir un revêtement céramique à la surface de l'alliage d'aluminium et en ce que le revêtement a une dureté comprise entre 1800 Hv (17.65 GPa) et 2000 Hv (19.61 GPa).
L'invention concerne également un procédé permettant de croître un revêtement céramique à la surface du composant, le procédé étant un procédé d'oxydation par micro-arc plasma et comprenant les étapes d'immerger le composant à revêtir dans un bain électrolytique composé d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin, le composant formant l'une des électrodes; et d'appliquer un courant alternatif ayant une fréquence comprise entre 10 Hz à 10'000 Hz, de façon à appliquer une tension entre le composant et une autre électrode variant entre 0 V et une valeur comprise entre 100 V et 1000 V.
Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur de fournir un composant ayant une dureté élevée, une excellente résistance à l'usure, aux chocs, et à la corrosion.
Le procédé d'oxydation par micro-arc plasma est également une technologie donc l'impact environnemental est faible, en particulier au vu des techniques d'anodisation conventionnelle donc les bains acides sont fortement déconseillés pour la protection de l'environnement.
Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
- la
figure 1 illustre une installation d'électrolyse; - la
figure 2 montre une vue en coupe du composant avec le revêtement formé par le procédé d'oxydation par micro-arc plasma; - la
figure 3 montre un revêtement formé par le procédé d'oxydation de l'invention; - la
figure 4 illustre une perspective d'une telle boite de montre; - la
figure 5 montre le revêtement formé sur un levier; - la
figure 6 montre le revêtement formé sur une lunette; - la
figure 7 montre le revêtement formé sur une carrure; - la
figure 8 montre le revêtement formé sur la corne de carrure; - la
figure 9 montre un vue en coupe d'une portion filetée de la corne de carrure; - la
figure 10 est un graphique qui rapporte les épaisseurs mesurée du revêtement formé sur les différentes parties de la boite de montre; - la
figure 11 montre les endroits de mesure d'épaisseur du revêtement; - la
figure 12 est un graphique qui rapporte les épaisseurs mesurée du revêtement formé sur les différentes parties de la boite de montre. - la
figure 13 montre l'état de la surface de la carrure de montre en alliage d'aluminium-lithium sur laquelle le revêtement a été formé, après usure; - la
figure 14 montre l'état de la surface de la carrure de montre en alliage d'aluminium-lithium sur laquelle le revêtement a été formé, après des tests de chocs; - la
figure 15 montre l'état de la surface de la carrure de montre en alliage d'aluminium-lithium sur laquelle le revêtement a été formé, après des tests de corrosion; et - la
figure 16 montre une photographie d'un boîtier de montre en alliage aluminium-lithium ayant subi le procédé d'oxydation de l'invention.
Selon l'invention, un composant 1 comprend un alliage d'aluminium comprenant entre 0.1 et 10 % en poids de lithium. Le composant est traité à l'aide d'un procédé d'oxydation par micro-arc plasma (aussi connu sou le nom anglais de "micro-arc oxydation" et l'acronyme "MAO") de sorte à obtenir un revêtement céramique 2 à la surface de l'alliage d'aluminium.
L'alliage d'aluminium contenant du lithium peut être un des alliages commerciaux disponibles sur le marché. Par exemple, l'alliage d'aluminium-lithium peut comprendre l'un des alliages mentionnés dans la table 1. Dans la table, la première ligne donne le nom de l'alliage et la colonne de gauche l'élément ainsi que le contenu de l'élément en % en poids dans les colonnes successives. Un tel alliage d'aluminium-lithium contiendra donc jusqu'à 2.45 % en poids de lithium, plus particulièrement entre 0.88 et 2.45 % en poids de lithium.
La
Selon un mode de réalisation, le procédé d'oxydation par micro-arc plasma comprend les étapes d'immerger le composant 1 à revêtir dans l'électrolyte 4 et de faire passer le courant alternatif 31 de façon à appliquer une tension entre le composant 1 et la cathode 5.
L'électrolyte 4 peut comprendre une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin, tel que le potassium ou le sodium, et d'un sel oxyacide d'un métal alcalin. L'électrolyte 4 est typiquement maintenu à une température comprise entre 10°C et 55°C.
De façon préférée, le courant appliqué comprend des pulses de courant positifs et négatifs alternant avec une fréquence comprise entre 10 Hz à 10'000 Hz. L'amplitude des pulses de courant est comprise entre 2 et 200 A/dm2 de manière à appliquer une tension entre le composant 1 et la cathode 5 de l'ordre de 100 V à 1000 V. En effet, une tension comprise de 100 et 1000V permet de créer un plasma électrolytique nécessaire à la formation du revêtement 2 sur le composant 1.
Dans un mode de réalisation, les pulses de courants sont séparés par un temps mort où aucun courant n'est appliqué. La durée du temps mort est de préférence d'environ 10% de la durée totale du pulse de courant. La durée du temps mort est telle que la tension chute à zéro. Par exemple, chacun des pulses de courant positif et négatif peut présenter une amplitude maximale suivie d'une décroissance du courant jusqu'à une valeur nulle. La durée du pulse où la valeur du courant est nulle est d'environ 10% de la durée totale du pulse de courant.
Autrement dit, lors du temps mort la tension doit chuter à zéro, c'est-à-dire que la tension est cyclée entre une tension de base (baseline) et une tension plafond, ou maximale (ceiling line). La tension de base minimale est préférablement ajustée à une tension comprise entre 0 et 99,9% du pic maximum de la tension plafond. La tension de base (par exemple 30% de la tension plafond) permettra de favoriser la formation d'émission de micro arcs électriques visible à l'œil nu, alors qu'une tension de base plus conséquente (par exemple 60% de la tension plafond), permettra de favoriser la création d'un plasma continu, également visible à l'œil nu (relatif à la perception rétinienne de 0.1 à 0.2 secondes). L'influence du choix des tensions moyennes minimales de base par rapport à la tension maximale et donc du type de micro-arcs obtenus permet donc de maitriser une couche plus ou moins dense et homogène. La densification de la couche étant également sujette à la fréquence d'alternance entre les courants anodiques et cathodiques. En effet dans le premier cas la croissance de la couche nanoporeuse se réalisera alors que dans le second la densification des nanoporosités opérera.
La vitesse de croissance du revêtement 1 dépend du type de fréquence et de la forme du pulse, en particulier du passage entre un courant cathodique et anodique (et vice-versa) et de l'amplitude de courant (et donc de la tension appliquée). Par exemple, la vitesse de croissance du revêtement est de l'ordre de 1 micron/ minute pour une tension appliquée de 100 à 400 V et une fréquence de l'ordre de 1000 Hz.. L'épaisseur du revêtement ainsi obtenu peut aller de quelques microns, de manière homogène sur la pièce, pour autant que le posage utilisé pour maintenir le composant dans le bain soit adapté et ne modifie pas la formation des micro arcs et ne les éteignent pas,) à quelques centaines de microns. Le procédé d'oxydation par micro-arc plasma est décrit, par exemple, dans le document
La
Le revêtement 1 formé par le procédé d'oxydation par micro-arc plasma sur le composant en alliage aluminium-lithium a une dureté élevée, proche de 2000 Hv. Il a également une excellente résistance à l'usure, aux chocs, à la corrosion. Le revêtement 1 est de coloration correspondant à la coloration naturelle de l'aluminium oxydé. Par exemple, le revêtement 1 a une coloration brun foncée dans le cas de l'alliage aluminium-lithium 2050 (voir table 1).
Le procédé d'oxydation peut comporter une étape préalable de préparation de la surface 8 du composant 1. Cette étape de préparation peut comprendre le nettoyage et dégraissage de la surface 8, par exemple à l'eau bouillante ou à un nettoyant alcalin tel qu'une solution de nettoyant PARCO (produit de Henkel Surface Technologies division de Henkel Corporation, Madison Heights, Michigan). L'étape de préparation peut être suivie d'une étape de rinçage, par exemple à l'eau distillée.
Afin d'obtenir un état de surface optimum et retirer les derniers microns de la couche poreuse 22 de céramique, une étape de tribofinition peut être réalisée à l'issue de la formation du revêtement 1 par le procédé d'oxydation. Cette étape de tribofinition peut comprendre, par exemple, un microsablage.
La
Le composant 1 à revêtir peut aussi bien être issu d'un procédé de mise en forme conventionnel de type usinage, décolletage ou mise en forme par procédé de moulage de l'aluminium liquide (type procédé Cobapress).
A titre d'exemple, le procédé d'oxydation par micro-arc plasma a été appliqué à différentes parties d'une boite de montre fabriqué dans un alliage aluminium-lithium. La
Les
Dans le cas où la portion du composant 1 comprend une ou des zones comportant une structuration fine, par exemple un filetage, des trous ou des taraudages, il peut être avantageux que ces zones soient revêtues avec le revêtement 2 présentant une épaisseur plus faible que sur le reste de la surface du composant 1. En effet, la formation d'un revêtement épais dans les zones structuration fine peut résulter dans un nivellement de la structuration. Ceci est particulièrement le cas lorsque la structuration a une dimension inférieure à 100 µm.
Dans un mode de réalisation, le procédé d'oxydation comprend une étape de former le revêtement 2 sur la ou les zones ayant la structuration fine. La ou les zones avec la structuration fine sont ensuite masquées de façon à pouvoir former le revêtement 2 sur le reste du composant 1 sans affecter la ou les zones ayant la structuration fine. Ensuite, le revêtement est formé sur le reste de la surface du composant 1. L'épaisseur du revêtement dans la ou les zones avec la structuration fine dépendra de la dimension de la structuration. Par exemple, le revêtement peut être formé sur la ou les zones avec la structuration fine avec une épaisseur d'environ 10% de la dimension de la structuration.
Dans le cas de l'exemple de la boite de montre 9 ci-dessus, la ou les zones avec la structuration fine peut comprendre des filetages, trous, taraudage, etc. La
Le masquage de la ou les zones avec la structuration fine peut être réalisé à l'aide de joints en silicone ou tout autre moyen de protection résistant au traitement d'oxydation par micro-arc plasma et pouvant être éliminé à la fin du procédé.
Le graphique de la
La table 2 rapporte l'épaisseur mesurée pour le revêtement 2 formé sur les différents filetages présents sur la boîte de montre 9, par exemple, dans l'axe fileté de la carrure 91, pour la fixation du levier 93 sur le pont de fixation 94, pour la fixation du pont de fixation 94 sur la carrure 91. Les trois lignes 1, 2 et 3 dans la table 2 correspondent à l'épaisseur du revêtement 2 mesurée au sommet de trois filets successifs, comme montré à la
Le graphique de la
La
Des tests à l'usure réalisés dans des conditions d'usure de billes à une vitesse de 46 tr/min et avec un mélange de 2 kg de billes céramiques d'un diamètre de 3 mm dans un-demi litre d'eau et 10 cc de mouillant. La durée du test a été de 36 heures. Après 6h de ce test, un brillantage de la surface est observé. Après 36 heures de ce test, aucune évolution ultérieure n'a été observée. Le procédé de céramisation permet donc une excellente résistance à l'usure. L'état de la surface après usure du revêtement de céramisation sur un aluminium lithium est montré à la
La
Des tests de rayures fines ont également été réalisés. Les conditions de ces tests comprenaient la rotation de l'échantillon à tester à 90 tr/min, dans une boite d'un volume de 0.6 litre d'un diamètre de 80mm, hauteur de 60mm, paroi en buvard avec 5 à 15 feutres et 10g de poudre de verre « bremor BR 650 ». La durée du test était de 24 heures. La
La
Des tests de chutes dans lit de gravier ont également été réalisés à l'aide d'une méthode de tests selon la norme ISO 23160 comprenant des chutes dans un lit de gravier et chips céramiques de 8 cm sur 500 cm2 de berlingots céramiques de diamètre 3 mm, d'une longueur de 12 mm et de dureté de 900HV ±100Hv. La hauteur de chute était de 40cm.
La boite de montre à tester est « chargée » avec une masselotte représentant le poids du mouvement mécanique normalement intégré dans la tête de montre. On observe après une dizaine de chutes sur lit de gravier/céramique de très faibles impacts aux niveaux des arêtes, tels que visibles dans la
Des tests de sueur synthétique ont également été réalisés. Ces tests ont été réalisés selon les conditions des normes NIHS 96-50 et ISO 3160-2, dans lesquelles les pièces testées sont mises sur un support de coton imbibé de sueur dans un environnement de 40°C±2°C humidité 95 à 100% humidité relative durée du test sur 6 jours.
Après 6 jours, des piqures de corrosion apparaissent sur des zones de mise à nu de l'aluminium. La couche de céramisation permet de créer une couche de protection de l'aluminium substrat (voir la
Globalement un aluminium lithium apporte les propriétés suivantes : 25% plus légère que les matériaux conventionnels, permettant ainsi d'optimiser la conception des pièces structurelles et de réduire le poids d'une boite de montre, par exemple, Meilleure résistance à la fatigue et à la corrosion, ce qui permet de fiabiliser et d'allonger la durée de vie du produit, 100% recyclable, ce qui apporte une contribution majeure à une industrie horlogère durable.
Le revêtement 2 obtenu par le procédé de l'invention est avantageux pour les composants d'une montre mécanique soumis à des frottements ou contraintes mécaniques. Il est également avantageux pour traiter des composant d'habillage horloger, comme l'exemple de la boîte de montre 9 ci-dessus, qui sont soumis à des contraintes environnementales agressives type usure, humidité, taux de salinité (mer, climats tropicaux ou autres). Bien sûr, le composant 1 comprenant le revêtement 2 n'est pas seulement d'intérêt dans l'horlogerie mais peut également être également utilisé dans des domaines divers tels que la lunetterie et les instruments d'écritures.
- 1
- composant
- 2
- revêtement
- 21
- couche dure
- 22
- seconde portion
- 3
- cuve
- 31
- courant alternatif
- 4
- bain électrolytique
- 5
- cathode
- 6
- bloc d'alimentation en courant
- 7
- substrat d'aluminium-lithium
- 8
- surface initiale
- 9
- boite de montre
- 91
- carrure
- 92
- corne de carrure
- 93
- levier
- 94
- pont de fixation
- 95
- lunette
- 96
- cache-couronne
- 10
- couche de cuivrage