Le procédé INORYS® pour durcir la surface de l’acier inoxydableAjouter de la durée à la beauté

MTS sa | Matériaux Technologies Surfaces | 2300 La Chaux-de-Fonds

Fig. 1 : site interstitiel octaédrique dans maille CFC.

Résumé :

L’acier inoxydable est devenu depuis une vingtaine d’années un matériau incontournable utilisé dans le domaine horloger pour la confection de boîtes de montre, de bracelets, de fermoirs et autres éléments.

Ses principales propriétés fortement appréciées par l’horlogerie sont sa bonne résistance à la corrosion, sa facilité de mise en forme, sa couleur, son rendu esthétique selon le choix de la ter-minaison ( poli, satiné, microbillé ), son caractère non magnétique et son coût.

Historiquement, on doit au Dr W. Hatfield qui, en 1924, inventa l’acier inoxydable 18/8, le mélange le plus connu, utilisé encore actuellement. L’acier inoxydable est obtenu pas adjonction de chrome à un acier ( fer + carbone ), ainsi que d’autres éléments d’alliage tel que le nickel et le manganèse qui stabilisent l’austé-nite et le molybdène qui améliorent la résistance à la corrosion en milieux acides ou chlorés. Et selon leurs proportions, ainsi que de la teneur en carbone, on classe les différents alliages obtenus dans des familles, tout en tenant compte également de la structure [ 1 ]. La norme européenne EN 10020 définit un acier inoxydable comme un alliage de fer contenant au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.

Les altérations des aciers inoxydables :

L’horlogerie suisse est réputée intransigeante et a basé son succès sur la qualité de ces produits, et ce jusqu’à l’état de surface de tous les composants de la montre. Fort de ce constat, lors des manipulations et / ou lors de son usage quoti-dien, les états de surfaces des habillages horlogers perdent plus ou mois rapidement de leur éclat initial ( défraîchisse-ment ). Ce point est particulièrement gênant sur un produit neuf, ainsi que tout au long de son usage. Ces défauts sont souvent rapidement perçus par le client, et occasionnent des coûts de rafraîchissement, qui sont bien souvent à la charge des marques, sans compter que le client n’a pas sa montre à son poignet pendant la durée de passage dans le centre SAV.

Cette formation de rayures en surface, facilement perceptible à l’œil nu a une conséquence sur la qualité des produits finis avant livraison, occasionnant soit un refus, soit un rhabillage. Et donc en final cela impacte également l’aspect financier des coûts liés, qui sont bien souvent cachés.

Il existe plusieurs solutions à ce problème, la plupart du temps on apporte un soin important à chaque manipulation des com-posants, soit on ajoute des protections plus ou moins efficaces afin de protéger les surfaces exposées. Mais cette voie présente l’inconvénient d’utiliser des protections plus ou moins coûteuses et génératrices de déchets. L’amélioration des propriétés de sur-face de l’acier inoxydable est la nouvelle solution désormais com-patible avec nos critères esthétiques.

De plus, ces dernières années, l’utilisation de nouveaux maté-riaux présentant des propriétés en terme de résistance à l’usure incomparable par rapport à l’acier inoxydable a vu le jour, avec par exemple, les céramiques, les matériaux composites tels que le carbone etc. Lorsque l’on mélange ces différents matériaux pour réaliser une boîte ou un bracelet avec des éléments en acier inoxydable, on se retrouve rapidement, après quelques

semaines de porté, avec une différence importante de vieillisse-ment des surfaces, facilement perceptible à l’œil nu.

Forte de ce constat, MTS SA a décidé de mettre en place un plan R & D sur les solutions permettant d’améliorer les propriétés de surface des aciers inoxydables, sans pour autant changer les modes de fabrications actuellement utilisés dans l’horlogerie.

La principale famille d’aciers inoxydables utilisée pour la confec-tion des habillages horlogers est de la famille des austénitiques et, en général, regroupés dans les deux nuances principales AISI 316L et AISI 904L. Selon les méthodes d’élaboration et de leur composition chimique, les aciers inoxydables austénitiques per-mettent d’obtenir une dureté se situant en général entre 200 et 450 HV ( dureté Vickers ).

Augmentation de la dureté superficielle :

Les traitements thermiques classiques sur les aciers inoxydables ne sont pas possibles car il n’y a pas de transformation de phase et pas de formation de la phase martensitique sans perte impor-tante de la résistance à la corrosion.

Seul un traitement thermochimique permet d’accroître les pro-priétés mécaniques de surface des aciers inoxydables austéni-tiques tout en conservant les propriétés de la tenue à la corrosion, et ce quelle que soit la géométrie des pièces à traiter. Il existe diverses techniques, telles que nitruration ou carburation plasma, implantation ionique, traitements laser de surface, etc.

Au milieu des années 80 aux Pays-Bas, le traitement, développé par B.H. Kolster, s’est rapidement imposé comme une référence pour l’amélioration des propriétés mécaniques des aciers inoxy-dables, en particulier austénitiques et ce sans détérioration des propriétés de résistance à la corrosion. Ce procédé, le traitement de Kolsterising® a été acquis par le groupe Bodycote.

Le traitement consiste en une diffusion de carbone au sein de l’austénite, réalisé à basse température ( < 500°C ) et en phase gazeuse afin d’éviter la formation de carbures de chrome.

Il en résulte que la couche traitée se compose uniquement d’une solution d’insertion de carbone dans l’austénite ( traite-ment de phase S ). Le carbone étant en insertion dans les sites octaédriques de la maille cubique à face centrée du réseau métallique [ 4 ].

Fig. 2 : Formation de carbures de chrome [Cr23

C6 ] aux joints de

grains dans un acier austénitique type 18Cr-10Ni. [1 ]

Fig. 3 : Influence de la teneur en C sur la cinétique de précipitation des carbures Cr

23C

6 [1 ].

Fig. 4 : Variation de la teneur en carbone selon profondeur [2 ].

Fig. 6 : Test par abrasion type TABER sur acier inox AISI 316L, 1.4404 [2 ].

Fig. 5 : Profil de dureté Vickers selon profondeur du traitement [2 ]. K33 pour différents aciers inoxydables.

Lors de la diffusion du carbone dans l’austénite, il faut éviter à tout prix le mécanisme de formation d’une précipitation de car-bures de chrome Cr

23C

6 aux joints de grains, ce dernier est ob-

tenu lors d’un maintien plus ou moins prolongé de la pièce dans une certaine plage de température ( 500 à 850°C ), de plus cela dépend de la teneur en carbone dans l’acier inox ( voir fig. 2 ) [1, 4 ]. Les zones contiguës aux joints de grains se trouvent ap-pauvries en chrome, et présentent une résistance à la corrosion semblable à celle d’un acier ordinaire. ( voir fig. 3 ) [1 ].

La société Bodycote réalise plusieurs types de traitements de Kolsterising®, et la figure 4 illustre l’augmentation de la concen-tration en carbone en fonction de la profondeur de diffusion, cette analyse est réalisée par spectrométrie à décharge luminescente [2 ].

Le K22 et le K33 sont des traitements dédiés aux aciers inoxy-dables austénitiques. Le K Duplex est quant à lui dédié aux trai-tements des aciers inoxydables austénito-ferritiques et martensi-tiques à durcissement structural.

Après traitement on observe le fort gradient de concentration en carbone responsable d’un mécanisme de durcissement de solu-tion solide important. Ce qui se traduit par un profil de dureté à la surface sur des aciers inoxydables AISI 316L largement amélioré ( fig. 5 ) [2 ].

Les paramètres de traitement retenus permettent de réaliser un gradient de composition en carbone et ce sans précipitation de carbure de chrome. Cette carburation conduit à de très fortes contraintes de compression résultant de l’augmentation du para-mètre de maille d’austénite ( env. de 3 % ) entre un acier inox AISI 316L non traité et traité. De plus, le nombre élevé de systèmes de glissement de la structure cubique à face centrée de l’austénite conduit à une ductilité remarquable permettant d’accommoder une déformation plastique de l’acier de base sans fissuration ou rupture.

La couche durcie lors du traitement Kolsterising® présente une très bonne résistance à l’usure comme l’illustre un test d’usure TABER, où l’on observe une perte trois fois plus importante sur un acier inox non traité ( fig.6 ) par rapport au même acier avec traitement de durcissement [ 2 ].

Hormis la propriété d’amélioration à l’usure, une autre caractéris-tique du traitement est l’amélioration de la résistance au grippage avec un coefficient de frottement réduit de moitié entre une ma-tière durcie ( 0.55 ) et non durcie ( 1.3 ) ( essai pion / disque ) [3, 5 ].

Le procédé Inorys®

L’inconvénient du traitement Kolsterising® est celui d’augmenter légèrement la rugosité de surface[ Ra ], ce qui n’est pas accep-table du point de vue esthétique pour des critères horlogers haut de gamme. Afin de palier à ce problème, MTS SA a mis en place le procédé Inorys® qui permet, grâce un traitement unique de remettre en conformité l’aspect de surface et de revenir le plus proche possible de l’état initial de la rugosité de la pièce tout en conservant la plus grande profondeur de la zone durcie. Afin d’illustrer ce point, les trois figures ci-après montrent parfaite-ment les variations visibles de la rugosité de surface, avec l’état à réception d’une boîte de montre avant traitement ( fig. 7 ), la même boîte après traitement Kolsterising® ( fig. 8 ) et la même pièce après procédé Inorys® ( fig. 9 ), ainsi qu’une micrographie illustrant la profondeur restante de la zone avec Kolsterising® K33 après traitement Inorys® ( fig 10).

De plus, le procédé Inorys® permet également d’améliorer la ré-sistance à la corrosion, satisfaisant largement les contraintes de résistance selon la norme NIHS 96-50. En effet après 4 jours d’exposition au brouillard salin suivi de 6 jours à la sueur pulvé-risée d’éléments de carrure en acier inoxydables 1.4435 traitées Inorys®, on n’observe pas de développement de corrosion visible. Cette excellente résistance à la corrosion permet aux compo-sants traités Inorys® d’être également conformes au niveau du relargage de nickel selon la norme EN-1811.

Fig. 8 : Etat de surface après traitement K33 (vue MEB)

Fig. 9 : Etat de surface traitement Inorys® (vue MEB)

Fig. 10 : Une zone de diffusion se forme depuis la surface en di-rection du cœur de l'acier inox sur une profondeur de 30 µm env.

Fig. 11 : Ecaillage du revêtement en cas de choc

sans traitement Inorys®

Fig. 13 : Etat de surface après 24h de test d’usure billes,

présentant une exfoliation du revêtement, carrure

sans traitement Inorys®

Fig. 12 : Pas d’écaillage du revêtement en cas de choc

avec traitement Inorys®

Fig. 14 : Etat de surface après 96h de test d’usure billes, ne

présentant pas d’exfoliation du revêtement, carrure

avec traitement Inorys®

Remerciements :

Un grand merci à la société Bodycote pour son soutien et la mise à disposition des éléments techniques concernant le traitement Kolsterising®, ainsi qu’à Monsieur François Ecabert qui a participé activement à la mise au point du procédé Inorys®.

Références

[1] : Les aciers inoxydables, MM. P. Lacombe, Baroux, Beranger, Les Editions de Physique, 1990.

[2] : Présentation Bodycote du traitement Kolsterising®, mars 2009.

[3] : Influence de la cémentation basse température sur la résis-tance au grippage et à l’usure des aciers inoxydables austé-nitiques, MM. B. Stauder, O.Rey, M. Buvron, P. Jacquot, G. Prunel, Bodycote HIT, 2002.

[4] : Thermal Stability of Carbon S-Phase in 316 Stainless Steel, MM. X Y Li, S Thaiwatthana, H.Dong and T.Bell, Surface Treat-ment - part 2, 2002.

[5] : Amélioration des propriétés tribologiques d’aciers inoxydables, MM. P.Jacot, B.Stander, J.Varlet, Bodycote France, matériaux et traitements n°414, janv-fév. 2012.

La valeur ajoutée de MTS SA est la maîtrise de ces différents processus. MTS SA offre un service personnalisé et un visitage à 100 % des composants pour chacune des différentes étapes afin de garantir la géométrie des pièces et de répondre aux exigences techniques et esthétiques de ses clients. MTS SA s’appuie éga-lement sur un contrôle régulier effectué par un laboratoire d’es-sai accrédité, afin de garantir le suivi et la qualité des différents paramètres tout au long du processus du traitement Inorys®. En outre, sur la base de la théorie et d’essais en laboratoire, le trai-tement Inorys® permet d’apporter une solution élégante et fiable au travers du temps, à savoir un complément au traitement de colorisation type DLC ou PVD.

En effet, le fait d’utiliser une pièce traitée Kolsterising® avec une couche uniforme durcie par diffusion de carbone, tout en conser-vant à cœur de manière sous-jacente la dureté initiale de cette dernière, permet de créer un gradient de dureté passant de

250 HV à 1’000-1’200HV, réduisant ainsi l’écart de dureté entre la surface de la pièce et la dureté du revêtement déposé. Cet écart étant plus faible, cela permet de minimiser les contraintes à l’interface revêtement / substrat, cela réduit le phénomène d’écaillage car la sous-couche étant plus dure, la déformation de cette dernière en cas de chocs est plus faible et donc plus facile-ment comprise dans le faible allongement du dépôt ( fig. 11 et 12 ).

Un test d’usure revêtement selon ISO 23160 sur une pièce en acier inoxydable sans traitement Inorys® + PVD avec 24 h de test ( fig. 13 ) et une pièce avec traitement Inorys® + PVD après 96 h de test ( fig. 14 ).

MTS SA est à même de gérer et suivre la qualité de la résistance à l’usure et à l’oxydation des traitements type DiamondblackTM ADLC, ceci afin de garantir un suivi tout au long des différentes charges et différents lots de pièces.

Fig. 7 : Etat de surface avant traitement (vue MEB)