Low temperature thermochemical plasma-assisted treatments of austenitic stainless steel for surface micro-patterning of a lubricated contact

Une micro-structuration de surface peut améliorer les propriétés en frottement d’un contact lubrifié grâce à la génération de pression hydrodynamique. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR MicroGaMe, dont l’objectif était de structurer la surface d’une garniture mécanique en acier inoxydable austénitique. Nous avons développé un procédé basé sur l’utilisation des traitements thermochimiques à basse température (nitruration et carburation) assisté par plasmas froids. L’étude des couches obtenues après traitements a permis d’améliorer la compréhension de leur nature et de leur formation et de mettre en évidence la présence de précipités nanométriques. Lors des traitements, une déformation dans la direction perpendiculaire à la surface (appelée « gonflement »), et qui est la conséquence de fortes contraintes internes, peut être utilisée de façon originale comme moteur de structuration. Afin d’obtenir un motif « positif », nous avons traité les échantillons à travers des plaques d’acier percées par laser. La réalisation d’un motif « négatif » (cavité) nécessitant l’utilisation d’un masque discontinu, nous avons testé plusieurs voies de dépôts. La forme et les dimensions spécifiques à la garniture mécanique ne pouvant être obtenu par cette approche, nous avons également développé un procédé de gravure ionique, qui a pu être appliqué avec succès aux pièces à taille réelleSurface patterning can improve friction properties of a lubricated contact by the generation of hydrodynamic pressure. The objective of the ANR project MicroGaMe was to pattern the surface of a mechanical seal in austenitic stainless steel. We developed a process based on the use of low-temperature plasma-assisted thermochemical treatments (nitriding and carburizing). The study of the treated layers leads to a better understanding of its nature and of the formation mechanisms and also reveals the presence of nanoprecipitates. During the treatments, a deformation occurs in a direction perpendicular to the surface (called “swelling”) as a consequence of high internal stresses, which can be used as an original patterning driving force. To obtain a “positive” pattern, we treated samples through laser-cut steel plates. A “negative” motif (cavitie) requires the use of a discontinuous mask so we tested different deposition techniques. As the specific shape and dimensions needed for the application to a mechanical seal cannot be obtained with this approach, we also develop an ion etching process, which has been successfully applied to real size piec