Oppervlaktebehandeling
Klassieke technieken hebben niet afgedaan

version française

Er is vrijwel geen metalen voorwerp, dat niet voor, tijdens of na vervaardiging wordt onderworpen aan één of meer oppervlaktebehandelingen. Het doel waarvoor deze oppervlaktebehandelingen uitgevoerd worden , kan zeer verschillend zijn. Ook de belangrijkheid van deze behandeling voor het product is meestal sterk uiteenlopend. In veel gevallen wordt niet één enkele eigenschap nagestreefd, maar een combinatie van eigenschappen.

Ondanks het feit dat heel wat energie wordt gestopt in het verbeteren van de technische oppervlaktebehandelingstechnieken, vergen ze nog steeds heel wat ‘ondervinding’. Elke toepassing is een compromis tussen de keuze van de bewerkingstechniek, de instelling ervan, het benodigde werkvolume in de voor- en nabewerking, de kostprijs van elk van de te ondernemen stappen, enz. Zowel het maximaliseren van de eindkwaliteit als het minimaliseren van de kosten vergt een optimalisatieslag. Een goede prijs/kwaliteitsverhouding is het resultaat van een strikte samenwerking (en het nodige vertrouwen) tussen ontwerper, materiaalleverancier, oppervlaktebehandelaar en klant. Het gaat – zoals hoe langer hoe meer in de totale industrie – om de totale ‘supply chain’.

De markt, de aanbieder
De oppervlaktespecialist moet zich dan ook specialiseren: hij kan niet alles aan. Elke deelsector, in extremis elk onderdeel, heeft voor elk van de ‘technische oppervlaktebehandelingstechnieken’ eigen nuances en eigen infrastructuur gebaseerd op dezelfde basistechnologieën. Alleen al de grootte van de stukken, de stukaantallen, de gebruikerseisen, … verschillen sterk, of het nu gaat om de elektronische sector, de productie van scheermesjes, de auto-industrie, … De engineering van de oppervlaktebehandeling, zowel methodiek als installatie, wordt steeds belangrijker. Eén installatie met daarin wat ‘zwarte chemie’ is reeds lang voorbij. Maar voor de klant heeft dit één belangrijke consequentie: hij moet op voorhand de juiste keuze van toeleverancier maken en wordt in de ketting met deze leverancier ‘gebonden’. Voor technische stukken ‘panacheert’ men dan ook niet straffeloos tussen verschillende leveranciers.

Naast specialisatie is er ook de creatie van de toegevoegde waarde: vele klanten willen afgewerkte modules. Voor de oppervlaktebehandelaar betekent dit bijvoorbeeld het totaal afwerken van de onderdelen. Bij carboneren betekent dit het naslijpen tot eindtoleranties, bij nitreren het honen of lappen van bepaalde vlakken. In alle gevallen betekent het vaak reinigen en afwerken tot een ‘montageklaar’ product.
De sector oppervlaktebehandeling van metalen omvat een heel assortiment van uiteenlopende processen die gebruikt worden om de oppervlakte van te metalen te behandelen. Ze allemaal te berde brengen zou ons echter te ver brengen, zodat we ons hier beperken tot de meer klassieke, doch verre van uitgestorven technieken.

Carboneren
De thermochemische technieken hebben het stadium van ‘zwarte magie’ al lang achter de rug. Het zijn beheerste processen geworden met gegarandeerde resultaten. Wat moeilijk blijft is de controle van de kwaliteit op het onderdeel zelf. Echter, men kan de resultaten van een productierun zeer nauwkeurig ‘voorspellen’ aan de hand van de procesparameters. Men kan ze nagaan aan de hand van controlestukken. Een diepgaande kwaliteitscontrole op het werkstuk kan echter alleen destructief (doorzagen en microscopisch bekijken).
Eén nog steeds veel toegepaste techniek in de thermochemische oppervlaktebehandeling is het cementeren of carboneren. Deze methode bestaat uit het inbrengen van koolstof in de oppervlakte op een hoge temperatuur, gevolgd door het afschrikken. Het afschrikken is het snel van hoge naar lage temperatuur brengen. Een hoger koolstofgehalte in het staal zorgt voor een structuur die bij het afschrikken een oppervlaktelaag van enkele millimeters geeft, die beter tegen slijtage bestand is.
Het cementeren gebeurt in een gasatmosfeer van CO/CO2. Vroeger werd met infrarood de hoeveelheid rest CO en CO2 gemeten in de gassen. Door nu de zuurstofpotentiaal in situ te controleren, heeft men veel meer vat op het carboneerproces en vooral een sneller middel om in te grijpen. Men kan hierdoor starten met een hogere C-atmosfeer in de beginfase en een gemonitorde atmosfeer in de verdere fase. Het resultaat is een beter C-profiel en daardoor betere (en beter voorspelbare) eindeigenschappen.

Nitreren
Een andere methode, en voor een aantal producten een alternatief op carboneren, is nitreren. Hierbij wordt vanuit een ammoniakatmosfeer stikstof in de oppervlaktelaag ingebracht. Dit resulteert in een duale laag: een dunne bovenlaag (de ‘witte laag’) die bros maar slijtvast is, en een diepe diffusielaag die een verhoogde hardheid introduceert in het staal en de vermoeiingsweerstand bevordert. Om het proces op te volgen en te sturen wordt gemeten op de restammoniak of op het waterstofresidu (waterstof ontstaat bij het kraken van ammoniak). Nitreren kan gebeuren op lagere temperatuur dan het carboneren (bvb. 500 tot 580°C). Bij deze warmtebehandeling is geen afschrikken noodzakelijk om de hardheidsstijging te bekomen. Hierdoor is de vervorming meestal zeer gering en wordt het nabewerken uitgespaard. De procestijden zijn merkbaar langer dan bij het carboneren, waardoor de warmtebehandelingskost iets hoger kan uitvallen. De totaalkost valt echter lager uit, zeker bij heel wat tandwielapplicaties.
Het nitreren is zeker geen allesvervanger voor carboneren, omdat de brosse witte laag het geheel gevoeliger maakt aan overbelastingspieken, omdat deze kunnen leiden tot vervroegde scheurinitiatie en vermoeidheidsbreuken.

Inductieharden en laserharden
Voor assen kan men eveneens zeer snel en efficiënt inductieharden toepassen, waarbij het metaal d.m.v. inductie (foucaultstromen) op zeer hoge temperatuur wordt gebracht en praktisch gelijktijdig wordt afgekoeld. Dit geeft een fijne martensietstructuur, die slijtvast is en de vermoeiingsweerstand verhoogt. Daarnaast is er ook sprake van laserharden. Dit is een procédé dat werkt met laserwarmte en zonder externe koeling. Het is wel een relatief trage, maar zeer flexibele en goed controleerbare hardingsmethode. Men kan echt zeer lokaal, op moeilijk bereikbare plaatsen harden (denk aan het loopvlak van een rollager). Beide methoden vergen wel dat men uitgaat van een staaltype of een staallegering die vanuit zijn samenstelling hardbaar is (wat betekent dat er voldoende C aanwezig in is).

Chemisch en elektrochemisch
Deze behandelingen brengen meestal een nieuwe laag aan op het oppervlak van het onderdeel, dit in tegenstelling tot de thermochemische, waar de modificatie vooral in de randlaag gebeurt. Onder deze rubriek vallen een zeer groot gamma van oppervlaktebehandelingen, die de meest uiteenlopende eigenschappen op quasi alle materialen kunnen aanbrengen. Het kan gaan van esthetische eigenschappen (kleur, glans, krasvastheid) tot zeer functionele eigenschappen (corrosieweerstand, slijtageweerstand, elektromagnetische, …), en in de meeste gevallen gaat het om een combinatie van meerdere eigenschappen. Ook hier gaan een doorgedreven proceskennis en vakmanschap hand in hand.

De voorbereiding: steeds belangrijker
De voorbehandeling is in alle oppervlaktetechnieken sterk bepalend voor het eindresultaat. Men kan zich hierin geen fouten veroorloven. Maar hier heeft enkele jaren geleden de milieuproblematiek gezorgd voor een omwenteling. In alle reinigingsprocessen is solventenreiniging nog weinig van toepassing. Waar ze nog wordt toegepast gebeurt het in gesloten systemen, waardoor de milieurisico’s geminimaliseerd worden en de uitstoot van solventen praktisch tot nul is gereduceerd. Hierdoor is het proces echter ook duurder geworden.
Bij carboneren wordt dan ook meestal een alkalische reiniging op waterbasis gebruikt. Bij het carboneren is steeds zuurstof aanwezig, waardoor eventuele resten zullen verbrand worden. Bij nitreren kan men zich geen enkele reststof veroorloven. Zelfs een minimale plek zal ervoor zorgen dat de stikstof niet in het werkstuk dringt, en op die plaats zal de kwaliteit niet voldoen aan de gestelde eisen. Voor de applicatie van het anodiseren is de zuiverheid van het product zowel uitwending als inwendig van functioneel groot belang.

Kritische stap
In veel gevallen gaan de nieuwe technieken van vandaag en de klassieke vaak samen. Immers, de dunne lagen moeten gedragen worden door een goede ondergrondlaag die vrijwel steeds door een ‘klassieke’ behandeling wordt gerealiseerd. De ‘technische’ oppervlaktebehandeling op metalen is een kritische stap in het productieproces. De uitvoering ervan kost misschien één tiende van de totale productieprijs van een onderdeel. Maar ze bepaald – zeker voor bewegende onderdelen – voor negentig procent de karakteristieken en de levensduur van het onderdeel. Door een slechte oppervlaktebehandeling komen deze stukken in de garantieperiode gegarandeerd terug naar de fabriek.
G.L.

Traitement de surface des métaux
Les techniques classiques ne sont pas dépassées

Il n’y a quasiment pas un seul objet métallique qui n’a pas subi avant, durant ou après sa transformation un ou plusieurs traitements de surface. L’objectif de ces traitements de surface peut être très différent. L’importance de ce traitement pour le produit est également très variable. Dans de nombreux cas, on ne vise pas seulement une propriété particulière, mais un ensemble de propriétés.

Malgré le fait que l’on consacre beaucoup d’énergie à l’amélioration des techniques de traitements des surfaces, elles demandent encore beaucoup d’expérience. Chaque application est un compromis entre le choix de la technique de traitement, son réglage, le volume de travaille nécessaire dans la préparation et le travail après, le coût de chaque étape à entreprendre, etc. Maximaliser la qualité finale et minimiser le coût demande un effort d’optimalisation. Le résultat d’une étroite collaboration (et la confiance nécessaire) entre le créateur, le fournisseur du métal, le traiteur de surface et le client donnera un bon rapport qualité prix. Il s’agit – comme c’est de plus en plus souvent le cas dans toute l’industrie – de la chaîne complète ‘total supply chain’.

Le marché, l’offrant
Le spécialiste du traitement des surfaces doit donc se spécialiser : il ne peut pas tout faire. Chaque segment dans un secteur, in extremis, chaque élément, a ses propres nuances et sa propre infra­structure basée sur les mêmes technologies de base, pour chacune des ‘techniques de traitement de surface’. Seules la dimension des pièces, leur nombre, les exigences dans l’utilisation… sont très différentes, qu’il s’agisse du secteur électronique, de la production de lames de rasoir, de l’industrie automobile,… L’engineering du traitement de surfaces, aussi méthodique que l’installation, est de plus en plus importante. Une seule installation avec un peu de ‘chimie noire’, c’est du passé. Mais pour le client, cela a une conséquence importante : il doit choisir au préalable son sous-traitant et il est ‘lié’ à ce fournisseur, dans la chaîne. Pour les pièces techniques, on ne ‘panache’ pas impunément entre les différents fournisseurs. Outre la spécialisation, il y a aussi la création de plus-value : de nombreux clients demandent des modules terminés. Pour le traiteur de surface, cela signifie, par exemple, la finition complète des pièces détachées. Le traitement au carbone, signifie notamment le ponçage jusqu’aux tolérances finales, lors du traitement à l’azote, on affile ou rode certaines surfaces. En tout cas, cela signifie en général nettoyer et achever la surface jusqu’à obtenir un produit ‘prêt à être monté’. Le secteur du traitement de surface des métaux comprend tout un assortiment de processus très variables, utilisés pour traiter la surface des métaux. Les mettre toutes sur le tapis, nous mènerait trop loin, si bien que nous nous limiterons aux techniques plus classiques, mais certainement pas encore mortes.

Cémentation
Les techniques thermochimiques ont, depuis longtemps, dépassé le stade de la ‘magie noire’. Ce sont devenus des processus maîtrisés, donnant des résultats garantis. Ce qui reste difficile, c’est le contrôle de la qualité de la pièce. Toutefois, on peut ‘prévoir’ avec beaucoup de précision, les résultats d’un passage en production, à l’aide des paramètres de processus. On peut les vérifier à l’aide de pièces de contrôle. Un contrôle de qualité approfondi sur la pièce, ne peut être que destructif (scier et étudier au microscope). Une technique encore fréquemment appliquée dans le traitement de surface thermochimique est le cémentation ou carbonage. Cette méthode consiste à appliquer du carbone sur la surface à température élevée, suivie d’un rafraîchissement brutal. Un taux supérieur de carbone dans l’acier donnera une structure d’une couche de quelques millimètres en surface qui, par le rafraîchissement brutal, résistera nettement mieux à l’usure. La cémentation se fait sous atmosphère gazeuse de CO/CO2. Autrefois, on mesurait la quantité résiduelle de CO et de CO2 dans les gaz. Aujourd’hui, grâce au contrôle sur site du potentiel d’oxygène, on peut nettement mieux maîtriser le processus de cémentation et surtout on peut intervenir nettement plus rapidement. Il est dès lors possible de démarrer avec une atmosphère C plus élevée au début et poursuivre dans une atmosphère modérée plus tard. Comme résultat, on obtient un meilleur profil C et donc de meilleures propriétés finales (et aussi plus prévisibles).

Nitrer
Une autre méthode, et pour de nombreux produits une alternative à la cémentation, est de nitrer. Dans ce cas, de l’azote est introduit dans la couche superficielle à partir d’une atmosphère d’ammoniac. Cela donne une couche duale: une fine couche superficielle (la ‘couche blanche’) qui est friable, mais inusable, et une couche profonde de diffusion, qui ajoute une dureté supplémentaire à l’acier, tout en lui conférant une résistance à la fatigue plus importante. Afin de suivre et de commander ce processus, on mesure l’ammoniac résiduel ou le résidu d’hydrogène (l’hydrogène se forme par craquement de l’ammoniac). Nitrer peut se faire à température plus basse que cémenter (p.ex. entre 500 et 580°C). A cette température, il ne faut pas tremper pour augmenter la dureté. De ce fait, la déformation est en général très limitée et il ne faut plus de traitement supplémentaire. Les temps de processus sont nettement plus longs que pour cémenter, ce qui fait évidemment aussi augmenter les coûts de traitement à la chaleur. Le coût total est toutefois inférieur, certainement pour de nombreuses applications d’engrenage.
Nitrer ne peut en aucun cas remplacer tout le travail de cémentation, parce que la couche blanche fragilise le tout aux pointes de surcharge, pouvant entraîner l’apparition de fissures prématurées et des cassures dues à la fatigue.

Durcir à l’induction et durcir au laser
Pour des axes, on peut également appliquer très efficacement le durcissement à l’induction. Le métal est porté à très haute température par induction (courants de foucault) et il est pratiquement refroidi en même temps. Ceci donne une fine structure martensite, inusable et qui augmente la résistance à la fatigue. En outre, il est également question de durcissement au laser. Il s’agit d’un procédé qui fonctionne à la chaleur du laser, sans refroidissement externe. C’est une méthode relativement lente, mais très flexible avec un durcissement facilement contrôlable. Il est possible de durcir très localement, à des endroits difficilement accessibles (songez à la surface de glissement d’un roulement). Les deux méthodes demandent toutefois à ce que l’on parte d’un type d’acier ou d’un alliage d’acier dont la composition permet de le durcir (ce qui veut dire qu’il doit contenir suffisamment de C).

Chimique et électrochimique
Ces traitements servent en général à appliquer une nouvelle couche à la surface d’une pièce, contrairement au traitement thermochimique, où la modification se fait essentiellement dans la couche externe. Sous cette rubrique, il existe un très large éventail de traitements de surface, qui peuvent fournir les propriétés les plus diverses à quasiment tous les matériaux. Il peut s’agir de propriétés esthétiques (couleur, lustre, anti-griffe) à des propriétés très fonctionnelle (résistance à la corrosion, à l’usure, électromagnétique, …), et dans la plupart des cas, il s’agit d’une association de plusieurs propriétés. Ici aussi, connaissance approfondie du processus et professionnalisme vont la main dans la main.

La préparation : de plus en plus importante
Pour toutes les techniques de surfaces, le prétraitement est déterminant pour le résultat final. On ne peut pas se permettre de commettre des erreurs. Mais ici, il y a quelques années, un problème d’environnement a provoqué une petite révolution. Dans tous les processus de nettoyage, le nettoyage aux solvants n’est plus tellement appliqué. Là où il est encore appliqué, cela se fait dans des systèmes fermés, ce qui permet de minimaliser les risques pour l’environnement et les émissions de solvants sont quasiment exclues voire réduites à zéro. Ceci a évidemment une incidence sur le prix du processus. Pour la cémentation, on utilise le plus fréquemment un nettoyage alcalin à base d’eau. La cémentation se fait toujours en présence d’oxygène, ce qui fait que d’éventuels restes seront carbonisés. Lors du traitement à l’azote, on ne peut se permettre aucun résidu. Même une petite tache minime fera en sorte que l’azote ne pénétrera pas dans la pièce, et à cet endroit, la qualité ne correspondra pas aux exigences posées. Pour l’application d’anodisation, la pureté du produit, aussi bien extérieure qu’intérieure, est très importante au plan fonctionnel.

Etape critique
Dans de nombreux cas, les nouvelles techniques d’aujourd’hui et les classiques vont souvent ensemble. En effet, les fines couches doivent être portées par une bonne couche de fond, qui sera toujours réalisée par un traitement ‘classique’. Le traitement ‘technique’ des surfaces sur des métaux est une étape critique dans le processus de production. L’exécution coûte peut-être un dixième du prix total de production de la pièce. Mais elle détermine à nonante pc – certainement pour les pièces mobiles – les caractéristiques et la durée de vie de la pièce. Un mauvais traitement de surface fait que ces pièces reviennent incontestablement à l’usine durant la période de garantie.
G.L.