Les revêtements DLC Applications dans l industrie Automobile

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1 Les revêtements DLC Applications dans l industrie Automobile Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne Jeudi 6 Décembre 2007 Jean-Michel DEBOIS

2 Sommaire Le système tribologique Le marché des Couches Minces dans les applications automobile Les principales caractéristiques d une couche DLC De nouvelles applications grâce à de nouvelles structures de couche Description de quelques applications Automobiles Questions / Réponses

3 .B1.02 (0303) e Le système Tribologique Mouvement Pression Environnment extérieur Temperature Humidité Chocs Corps Intermédiaire Lubrifiant Eau Débris Matériau B Matériau A Rugosité de surface

4 L usure Usure abrasive (Particules) Pitting (Fatigue du materiau) Adhésion, Grippage Fretting corrosion (Tribo-oxydation par les vibrations)

5 La puissance perdue dans un moteur : Seulement 30% à l arrivée 30 % 10 % Perte dans les frottements Perte dans les gazs d'échapp Perte dans le refroidissement Puissance Utile 30 % 30 %

6 Réservé à l origine à la compétition

7 Les couches DLC sont aujourd hui fortement répandues

8 Installation de PVD pour des productions Automobile. Bumper plate (Audi) HTC 1500

9 Venlo (NL) : le centre Ionbond pour les composants de grande série pièces traitées industriellement chaque semaine

10 Les principales applications automobile (M ) M Year Système d'injection Coussinets Segments de piston Arbre à cames Autres Racing Japan

11 Les applications Moteur Arbre à came Poussoirs Applications : Racing Soupapes Applications : Série Piston Segment Axe de piston Bielle Villebrequin

12 Les autres applications Automobile Engrennages Roulements Butées Japan

13 Les Objectifs du revêtement : - Réduire la consommation d énergie (Meilleur combustion), Réduction des frottements - Réduire les émissions polluantes, Haute pression dans le système d injection, Usure régulière des segments de piston, - Augmenter la fiabilité des moteurs tout en augmentant les performances, Réduction des usures et l amélioration des frottements - Réduire les coûts, Par la réduction du nombre de pièces Par la diminution de la taille des pièces

14 Les principales propriétés des revêtements DLC Faible coefficient de frottement Haute Dureté Résistance chimique Haute résistance à l usure Intérêts Optique Pas de collage DLC Isolant électrique Faible rugosité Conducteur électrique Couleur

15 Coefficient de frottement (à sec contre acier) COF [µ] 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 PVD CrN CVD TiC/TiN PVD TiCN a-c:h (RF) a-c:h:me a-c:h (MF) a-c:h:si m Distance de frottement

16 Coupe d une couche - a-c:h (ADLC) a-c:h Substrate

17 Les choix Ionbond pour la série automobile : Associer différentes technologies Couche finale de DLC a:c:h (PECVD DC Pulsé) Dureté de surface Coefficient de frottement Couche intermédiaire en a:c:h:wc (PVD Magnetron Sputtering) Assure l adhérence la couche de DLC Augmente la résistance à la fatigue du DLC Sous couche de CrN (PVD Magnetron Sputtering) Assure l adhérence, Augmentation graduelle de la dureté par incorporation d Azote Faible rugosité

18 Comparaison des propriétés de différentes couches Vickers hardness HV plast [kg/mm²] Calo wear [10-15 m³/nm] , , ,0 4,0 4, ,0 2, ,0 0,7 0,7 0,7 0 Cr + a-c:h:w a-c:h (ADLC) Cr + a-c:h:w +a-c:h Cr + CrN + a-c:h 0,0 Cr + a-c:h:w a-c:h (ADLC) Cr + a-c:h:w +a-c:h Cr + CrN + a-c:h

19 Comparaison des capacités de résistance à la charge Load carrying capability [%] a-c:h (ADLC) Cr + a-c:h Cr + a-c:h:w + a-c:h Cr + CrN + a-c:h

20 Principales caractéristiques des couches ADLC Film Vickers Hardness (HV 0,02 ) [kg/mm²] Nanoindentor (AFM) [GPa] a-c:h (ADLC) PACVD (RF) a-c:h:w + a-c:h PVD/PACVD (MF) ± ± ± 2 21 ± 1 21 ± 1 CrN + a-c:h PVD/PACVD (MF) 2853 ± 190 E-modulus (AFM) [GPa] 200 ± ± ± 15 Critical Load (LC 2 ) [N] 21 ± 2 41 ± 2 63 ± 3 Abrasiv wear [10-15 m 3 /mn] 0.7 ± ± ± 0.1 a-c:h thickness [µm] 1.5 ± ± ± 0.1 Friction coeff. (dry vs. steel) 0.2 ± ± ± 0.05

21 Installation de dépôt HTC 1500 Batch Coater PVD/PACVD (MF) Volume utile: - Diamètre 900 mm - Hauteur1.500 mm Coatings: -a-c:h - a-c:h:w -CrN -Cr 2 N

22 Ligne de nettoyage

23 Unité d injection Axe, Palier Piston Aiguille Source: Robert Bosch GmbH

24 Les systèmes d injection de Carburant Europe : Cr / WC / WC-C:H 3 µm Japon : CrN ARC 3 µm * Aiguille - glissement - usure abrasive faible coefficient de frottement < 0-1 haute dureté gradient de dureté entre substrat revêtement Japan

25 Pompe Common Rail DDS DFP 1.1 / 1.2 Choix optimisé pour chaque composant: Sabot - a-c:h:w (TriboBond 40) (Piston) - a-c:h:w + a-c:h (TriboBond 41) (Sabot) Piston Source: Delphi Diesel Systems

26 Pompe Common Rail Bosch CP3 - a-c:h:w (TriboBond 40) (Piston) - a-c:h:w + a-c:h (TriboBond 41) (Poussoir, Piston, Polygone) - - CrN + a-c:h (TriboBond 42) (Poussoir, Polygone) Source: Robert Bosch GmbH

27 Le revêtement des poussoirs de soupape TriBoBond 42 CrN + DLC HTC 1500

28 Les poussoirs de soupape materiau 16MnCr5, 20MnCr5 Trempe Cementation ou Carbo nitruration Revenus entre 190 C et 230 C, Dureté Haut > 420 HV1 à prof. 0.2 Bas > 660 HV1 420 à prof. 0.2 Coté > 530 HV1 400 à prof. 0.2 Dimensions Diam. < 35 mm, ht < 35 mm Quantité 4 M pcs/an Japan

29 Les poussoirs de soupape Mode de contact mixte (glissement, chocs) Résister à : Par : Usure Abrasive Haute Dureté Faible Rugosité Faible Coefficient de Frottement Usure par Fatigue Faible Module E Ecaillage Gradient de dureté Revêtement Japan

30 Les segments de piston Japan a

31 Le remplacement des couches épaisses de CrN par MeDLC sur les segments de piston Avant : Dépôt galvanique de chrome dur de 200 µm Actuellement : µm CrN (PVD / ARC) Pour répondre : - frottement - usure abrasive (egalement de la pièce antagoniste) - influence de la température Besoin: Haute Elasticité Gradient de dureté Futur: Faible frottement avec une couche mince de MeDLC Japan

32 Galet Arbre à cames VW Axe / palier Données techniques Moteur Diesel: 3, 4, 5 et 10 Cylindres Puissance Jusqu à 313 CV Pression d injection: 2100 bar Coating : TriboBond 41 a-c:h:w + a-c:h Source: Volkswagen AG

33 Arbre de distribution Moteur de camion

34 Merci