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Dossier

Vers une lubrification sèche pour le patrimoine horloger

Sa mise en œuvre, ses limites, sa réversibilité
Emilie Cornet

Résumés

Comparé à une lubrification traditionnelle, un revêtement lubrifiant solide apporte plusieurs avantages, tels que la stabilité et une protection de la surface d'origine, sans nécessiter aucun entretien. Les revêtements choisis pour cette étude sont une céramique à trois composants, le TiSiC, ainsi qu’un revêtement de carbone amorphe, tous deux déposés par PVD. Ils ont été testés et optimisés par des tests tribologiques bille-disque et un test de vieillissement horloger sur des mouvements de montres modernes. Ces revêtements sont compatibles avec les besoins propres du patrimoine : réversibilité et innocuité pour l'objet.

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Texte intégral

Introduction

1Le rôle du conservateur-restaurateur est de conserver le patrimoine pour assurer sa transmission aux générations futures. Inhérent à cette volonté de préserver les témoignages du passé, notre profession a aussi le désir de montrer et partager ce passé. Le patrimoine scientifique, technique et horloger n’est pas seulement conservé pour son aspect visuel, il témoigne de sa fonction, pouvant produire des sons, des mouvements ou encore des odeurs. La remise en fonction de tels objets est une question qui s’est posée et se pose toujours dans le milieu de la conservation-restauration. Or, dans tout système mécanique le frottement génère des pertes d’énergie et une usure que la lubrification cherche à limiter.

2Notre projet de recherche s’intéresse au remplacement de l’huile dans des mécanismes horlogers par un lubrifiant sec au regard de la question éthique de la remise en fonction d’objets patrimoniaux. La lubrification sèche consiste en une couche solide venant se placer sur la surface d’un ou des deux partenaires en contact lors du fonctionnement, jouant le rôle de lubrifiant et se consommant à la place des surfaces d’origine. Elle est employée dans l’industrie pour pallier aux problèmes de lubrification dans des conditions extrêmes comme dans l’aérospatial, dans les moteurs de Formule 1 ou encore pour les prothèses articulaires.

3Le but de cette étude est de voir si cette lubrification sèche est intéressante et transposable pour le patrimoine. En effet, la solution classique de lubrification des mouvements de montres se fait par huilage, solution qui demande un entretien et utilise des produits sensibles au vieillissement ainsi qu’aux conditions climatiques.

4Pour comprendre les besoins liés à la lubrification, quelques explications sont nécessaires sur les frottements d’une part et la lubrification d’autre part.

Le frottement, la tribologie et la lubrification

  • 1  Loi de Coulomb
  • 2 Takadoum, 2007, p.73-77
  • 3 Holmberg, 1998

5Le frottement est défini par un coefficient sans dimension,noté μ. Il est caractérisé par la relation suivante1 : μ = Ft/Fn, où Ft est la force de frottement et Fn la charge normale à la surface. Le coefficient de frottement μ peut grandement varier en fonction entre autre de l’état des surfaces et des paramètres environnementaux. Ainsi, pour un contact métal-métal à l’air, μ peut varier de 0.2 et 1.5. En présence d’un lubrifiant solide il atteint en général 0.05 à 1 et en présence d’une huile de lubrification 0.1 à 0.2.2 La tribologie est la science qui étudie les frottements. Nous parlons alors de contact tribologique lorsque deux surfaces sont mises en mouvement relatif l’une par rapport à l’autre3.

  • 4 Holmberg, 1998
  • 5 Holmberg, 2000

6Le processus tribologique complet d'un contact est complexe à appréhender car il implique simultanément des frottements, des usures, des déformations mécaniques et des changements chimiques à différentes échelles. Comme le résume la figure 1, un contact entre deux surfaces, appelées partenaires, va induire plusieurs changements.4-5

Fig. 1 Le contact tribologique

Fig. 1 Le contact tribologique

Le contact tribologique est expliqué en changement à l’échelle macroscopique et microscopique, chimique, moléculaire et en transfert des matériaux.

©Holmberg 2000

  • 6 Renaud et Renfer, 1973, p.3-7

7Cinq paramètres principaux influencent le contact : la nature, la différence de dureté et l’état de surface des deux matériaux en contact, ainsi que la taille et la dureté des débris présents, qui proviennent soit d'une source extérieure soit de l'usure des partenaires. Tous ces phénomènes influencent le frottement et se traduisent par des pertes d’énergie dans le contact. Le frottement engendre une énergie mécanique sous forme de chaleur6. Cette élévation de température apporte des complications et favorise les phénomènes de soudure, de diffusion d’éléments ou encore de réaction avec le milieu ambiant (oxydation, formations de sels,…). Par ailleurs, d'autres éléments ont une influence, comme les paramètres environnementaux (température, humidité, présences de polluants,…), les forces impliquées et la vitesse du mouvement lors du contact.

  • 7 Renaud et Renfer, 1973, p.13-31
  • 8 Renaud et Renfer, 1973, p.13-31

8La lubrification en horlogerie a trois objectifs principaux : permettre la conservation de l'isochronisme,réduire l’usure et diminuer la perte d’énergie par frottement.7 De plus, elle doit être stable chimiquement, c'est-à-dire conserver ses propriétés au cours du temps. Le lubrifiant doit avoir une bonne tenue en place, ne pas être soumis au phénomène d’évaporation, avoir une bonne résistance au cisaillement pour limiter l’usure et posséder une bonne tenue au froid. Enfin, elle ne doit pas avoir d’effet corrosif sur la surface lubrifiée.8

  • 9 Huilage d’une montre mécanique [en ligne]
  • 10 Renaud et Renfer, 1973, p.8-10

9La lubrification s’obtient par application de corps étrangers placés entre les partenaires, empêchant le contact direct des matières et se traduisant par une diminution du frottement, donc des pertes d’énergie, une diminution de l’usure, et une augmentation du rendement mécanique9. Elle peut être de trois formes : solide, liquide ou gazeuse10.

La lubrification et la lubrification sèche dans le patrimoine horloger

10Un système mécanique horloger a besoin pour son fonctionnement d’une lubrification. Or, la lubrification traditionnelle à l’huile nécessite un entretien régulier. En effet, quantité d'huiles horlogères sont instables et perdent leur pouvoir lubrifiant au cours du temps, notamment en réagissant avec le substrat ou avec l’environnement. Il est donc nécessaire de nettoyer l’ancienne lubrification et de lubrifier à nouveau le mécanisme. Ces interventions doivent être menées par une personne ayant des connaissances horlogères car une lubrification trop importante ou au contraire trop minime aura des conséquences sur le fonctionnement et pourra conduire à une usure prématurée du mécanisme. De plus, tout traitement de nettoyage nécessitera un démontage de l’objet, pour lequel le risque de détérioration et de pertes d’éléments n’est pas à négliger.

11Pour un objet muséal, l’huile peut se figer dans le mécanisme lors d'une trop longue période en réserve, et ces étapes de nettoyage d’une ancienne lubrification et de lubrification se reproduiront autant de fois que l’objet sera sorti de la réserve pour une exposition où il fonctionnera. Il peut également être mis en réserve sans huiles, il faudra alors lubrifier le mécanisme avant sa mise en exposition fonctionnelle et le nettoyer avant sa mise en réserve. Dans les deux cas, cela peut entrainer les risques cités plus haut.

  • 11 Maillat, 2008

12Voyons maintenant l’évolution d’une lubrification de type huile sur plusieurs années11. Dans les premiers jours de fonctionnement, l’huile disparait par étalement ou pulvérisation suite au mouvement des mobiles, aux chocs dans le mécanisme ou encore aux différents contacts des mobiles. Les microgouttes d’huiles ainsi formées sont dispersées et se déposent sur d’autres pièces. Cet étalement des huiles dépends de plusieurs facteurs dont les types et l'état des surfaces, leur propreté, les traitements d'épi lamage, et du type d'huile choisi.

13Entre 3 mois et un an, nous observons un rougissement de certains lubrifiants dû à la dégradation de l’huile ou de ses additifs par réaction avec des composés volatiles présents dans l’environnement. L’huile perd alors ses propriétés lubrifiantes. Le frottement use les matériaux en contact, créant de nouvelles particules liées à l'usure. Au début de couleur noire, ces particules s’oxydent en prenant une teinte brunâtre. Elles assèchent le lubrifiant, amplifiant ainsi l’usure et accélérant le cycle de dégradation. Enfin, après plusieurs années, l’huile ou ses composants peuvent s’oxyder ou se polymériser, se transformant alors en un adhésif bloquant le mécanisme. Nous voyons alors les soucis découlant de quelques microgrammes de liquides.

14Les recherches sur la lubrification solide durent depuis plus de 50 ans, car la lubrification reste un souci majeur en horlogerie mais également dans d'autres domaines. Elles ont permis de mettre en avant diverses solutions autolubrifiantes, montrant que la suppression de l'huile est possible dans certains cas.

Le cahier des charges

15Les objets sont importants et conservés pour les informations qu'ils contiennent et le témoignage qu'ils représentent. L'objet est un document historique, dans le sens où il contient des informations sur le ou les matériaux le constituant, la technologie dont il est issu ainsi que les traces de sa vie matérielle. L'objet doit également être pris comme une entité esthétique. Les objets patrimoniaux peuvent également avoir une fonction, et cette mise en fonctionnement est souvent nécessaire pour comprendre l'objet et en étudier les informations historiques et techniques. Cette opportunité de pouvoir voir un objet en fonctionnement est également un attrait pour le visiteur.

16Le rôle du conservateur-restaurateur est de respecter ces aspects de l'objet et de les prendre en compte pour établir les traitements sans que l'un ou l'autre ne soit perdu. Pour le patrimoine technique, les informations non matérielles, comme le son ou le mouvement, sont difficiles à étudier et transmettre. Plusieurs voies sont possibles, comme par tradition orale se transmettant d'une personne à l'autre, par témoignage écrit décrivant le procédé et permettant à d'autres de le connaitre, ou encore par enregistrement vidéo et/ou audio. Cependant, bien souvent la remise en fonction se fait au détriment de la valeur de témoin historique de l'objet. La remise en fonction de ces patrimoines comporte des avantages et des désavantages.

17La mise en fonctionnement comporte des risques. Une partie ou la totalité d'un objet peut être détériorée ou être détruite pendant l'emploi ou la mise en fonctionnement de celui-ci. Le fonctionnement d'un objet peut être dangereux, nécessitant des modifications pour qu'il remplisse les normes de sécurité actuelles. Ces changements vont modifier la valeur historique de l'objet et pourront induire en erreur les visiteurs du musée. Nous l'avons déjà dit, la mise en mouvement d'un mécanisme va provoquer son usure, même si visuellement cela ne se verra pas avant de nombreuses heures de fonctionnement. Enfin, remettre ou garder en fonction un objet patrimonial va induire des coûts plus ou moins importants car il faudra former des personnes pour cette action et procéder à des contrôles réguliers de l'état des objets.

18Le choix de la remise en fonction d'un objet patrimonial doit être consciencieusement étudié et justifié. Les avantages ainsi que les risques de la remise en fonction doivent être pesés. La remise en fonction peut intervenir à différents niveaux. Celle-ci peut rester occasionnelle afin de limiter les risques et les dégradations inhérentes à la remise en fonction. Elle doit être mise en œuvre par des professionnels et être régulièrement contrôlée afin qu'elle n'entraine pas de risques pour l'objet et le visiteur.

19Pour notre étude nous avons traité le cas d’une remise en fonction occasionnelle d’une pièce horlogère patrimoniale fonctionnelle. Plusieurs propriétés sont recherchées pour un revêtement lubrifiant solide.

20Sous l’aspect de la tribologie, le revêtement doit :

  •  avoir des propriétés lubrifiantes, en réduisant l’usure et diminuant la perte d’énergie due au frottement ;

  •  permettre la conservation de l'isochronisme ;

  •  protéger la surface contre l’oxydation ;

  •  être stable chimiquement vis-à-vis de la surface d’origine ;

  •  être stable dans les conditions atmosphériques d’emploi du revêtement, pour une température et une humidité relative pouvant varier entre 15-25°C et 30-60%, ainsi qu’en présence de polluants tels des acides acétiques ou du formaldéhyde, fréquents si les pièces sont conservées ou exposées dans des vitrines ayant des composés en bois, ou encore en présence de poussières.

21Pour pouvoir appliquer ce revêtement sur un mécanisme patrimonial, il doit également répondre à certaines contraintes propres au milieu de la conservation-restauration.

  •  Sa mise en œuvre ne doit pas être invasive. La préparation de la surface pour le dépôt ainsi que ses conditions d’applications ne doivent pas dégrader l’objet ;

  •  Le revêtement appliqué doit être réversible, afin de ne pas diminuer la valeur d’historicité de l’objet, et de permettre un retour à l’état d’origine de la pièce ;

  •  L’apparence de l’objet, du point de vue de sa couleur, de ses décors et de son aspect de surface, ne doit pas être modifiée.

22Bien sûr, nous présentons ici les conditions optimales. Dans la pratique il reste difficile de répondre à tous ces critères.

PVD et caractéristiques des dépôts testés

  • 12 Cornet et Deville, 1998

23La PVD (abréviation de Physical Vapor Deposition, dépôt en phase vapeur par voie physique) est une technique permettant de réaliser des couches minces12.

  • 13 Manasterski, 2012

24Ce procédé est employé depuis plusieurs années dans les industries, notamment dans l’industrie horlogère pour les finitions de surfaces. Il permet de déposer des métaux difficiles à réaliser par la voie traditionnelle galvanique, ou encore de déposer à partir de métaux des céramiques aux propriétés intéressantes du point de vue mécanique, chimiques ou encore esthétique13.

25Nous nous sommes penchés sur les dépôts par pulvérisation cathodique. C’est une technique de dépôt sous vide en plasma. Elle se fait à température ambiante dans une enceinte maintenue à pression basse (de l’ordre de 10-1 à 10-2 Pa). Elle permet de déposer tous les types de matériaux, qu’ils soient simples ou composés, conducteurs ou diélectriques, sur tous les types de substrats, conducteurs ou non, pouvant être mis sous vide et supportant un léger échauffement.

26Le phénomène de la pulvérisation est un mécanisme physique. Il peut être comparé au choc entre des boules de billard. L’ion incident bombardant le matériau cible va mettre en mouvement un atome de ce matériau, ce mouvement va être transmis aux autres atomes en contact jusqu’à l’éjection d’un atome de surface. Ces atomes vont ensuite se déposer sur le substrat.

27La croissance de la couche est dépendante de l’état de surface sur lequel elle croit. La couche reproduit le même état de surface, la rugosité ou les défauts de surface vont se retrouver dans la couche. C’est par cette méthode que nous avons déposé les revêtements lubrifiants sélectionnés pour ce projet : le silico carbure de titane (TiSiC) et le carbone amorphe.

28Le TiSiC est une céramique ternaire. La couche formée sur le substrat est composée de carbure de titane (TiC) nano-cristallisé, de carbure de silicium (SiC) amorphe, et de carbone (C) amorphe. Les molécules de SiC sont repoussées et se regroupent en nodules. Il y a alors trop d’atomes de carbone pour se lier avec les atomes de titane. Le carbone donne des propriétés lubrifiantes à la couche et le silicium apporte la dureté du fait des nodules présents qui mettent la couche en tension.

  • 14 Matthey and al., 2004

29Les propriétés tribologiques de ce dépôt sont influencées par le transfert d’éléments entre les partenaires en contact, la réduction de la rugosité lors du rodage du contact, les réactions tribochimiques entre le TiC et H2O de l’atmosphère aboutissant à la formation d’une couche protectrice d’oxyde de titane (TiOx) en surface, et au dégagement d’atomes de carbone amorphe.14

30La dureté du dépôt obtenu est d’environ 1000 à 1200HV. Sa couleur est gris métallique, semblable à un acier (Fig.2).

Fig. 2 Dépôt de TiSiC

Fig. 2 Dépôt de TiSiC

Roues de centre non revêtue (à gauche) et revêtue de TiSiC (à droite).

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

  • 15 Vermot and al., 2004
  • 16 Laupert et Maier, 2000

31Le revêtement de carbone amorphe est largement employé dans divers secteur de l’industrie et en horlogerie, comme traitement de surface fonctionnel15 ou décoratif. Le carbone possède deux formes cristallisées, nommées hybridations, aux propriétés très différentes. Elles se distinguent par l’arrangement spatial de leurs atomes et la nature des liaisons16.

  • 17 Manasterski, 2012
  • 18 Laupert et Maier, 2000

32La première hybridation, nommé sp2, correspond à la forme graphitique du carbone. Cette hybridation forme un matériau mou, conducteur thermique et électrique, de couleur noire17. Il a une structure en feuillet, dont les atomes sont disposés selon des hexagones. Des liaisons covalentes, donc fortes, lient les atomes d’un même feuillet entre eux alors que des liaisons Van der Waals, des liaisons faibles, lient les feuillets ensemble, ce qui est à l’origine des propriétés lubrifiantes du graphite.18

  • 19 Manasterski, 2012
  • 20 Laupert et Maier, 2000

33La deuxième hybridation, nommé sp3, est la forme diamant du carbone. Cette hybridation du carbone est dure, transparente, isolante et de structure cubique face centrée (c.f.c.), avec des liaisons covalentes.19-20

  • 21 Manasterski, 2012

34Un revêtement de carbone amorphe est constitué d’une quantité variable d’hybridation sp3 (diamant) dans une matrice d’hybridation sp2 (graphite)21. Le revêtement de carbone amorphe, obtenu par PVD contient en moyenne moins de 5 % d’hydrogène et entre 40 % et 80 % d’hybridation sp3.

  • 22 Manasterski, 2012
  • 23 Donnet and al., 2007

35Les couches obtenues sont de couleur gris foncé à noire (Fig.3), et possèdent d’intéressantes propriétés de dureté et de résistance au frottement.22-23

Fig. 3 Dépôt de carbone amorphe

Fig. 3 Dépôt de carbone amorphe

Barillet revêtu de carbone amorphe.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

Choix des mécanismes et étude du contact barillet-pignon

36Nous avons choisi de baser notre étude sur des mouvements de montre de poche sans complications. Ces mécanismes(Fig.4) présentent l’avantage d’être suffisamment grands pour manipuler les mobiles et les étudier, tout en étant suffisamment petits pour pouvoir être traités dans des machines de laboratoire.

Fig. 4 Mouvement de montre de poche

Fig. 4 Mouvement de montre de poche

Mécanisme du MIH datant du milieu du XIXème siècle, côté rouage.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

37De plus, dans un mécanisme horloger simple (Fig.5), nous trouvons principalement deux zones sensibles du point de vue de la lubrification et de l’usure : le barillet et l’échappement. C’est au contact entre la roue du barillet et le mobile qu’elle entraine qu’il y a le plus de contrainte dans le mouvement, donc un risque d’usure et de frottement plus élevé.

Fig. 5 Schéma d’un mouvement de montre

Fig. 5 Schéma d’un mouvement de montre

Schéma fonctionnel d’un mouvement de montre et terminologie, où le barillet et le pignon de centre en contact sont visibles

©Cosandey

38C’est cette partie du mécanisme que nous avons choisi de traiter car elle possède le plus de sollicitations et est la plus représentative pour un test de vieillissement accéléré. Les mécanismes sont principalement composés d’acier et de laiton. Les platines, les ponts ainsi que les roues sont en laiton. Les pivots et les pignons sont quant à eux en acier. La caractérisation et l’optimisation des dépôts ont été effectuées sur des pastilles en laiton et en acier 440C.

39Pour ces pastilles, nous avons défini de travailler avec deux états de surfaces différents. Les dépôts ont ainsi été réalisés sur des surfaces polies-miroirs d’une granulométrie de 1 micron. Ce premier état de surface permet de comparer les couches entre-elles en ayant un état de surface reproductible pour lequel la granulométrie n’influence pas les résultats tribologiques. Le deuxième état de surface correspond à une granulométrie de 20 à 25 microns. Il comporte des raies non directionnelles pour simuler un état de surface horloger ayant subi une usure.

  • 24  Les barillets ETA sont en laiton nickelé

40Afin de confronter les revêtements lubrifiants que nous souhaitons étudier à un fonctionnement en conditions réelles, nous avons traité des mécanismes modernes ETA 6498-1 (Fig.6). Les matériaux sont ici différents par rapport aux mécanismes de collection ayant plusieurs dizaines d'année24, de plus l'état de surface est neuf. Cependant, une première étude des couches dans des mouvements modernes nous renseigne sur les qualités des dépôts. En outre, les mécanismes modernes permettent d’avoir des résultats comparables entre les divers mouvements d’un même type.

Fig. 6 Mouvement ETA 6498-1, côté rouage

Fig. 6 Mouvement ETA 6498-1, côté rouage

Mouvement ETA pour l’étude des revêtements

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

L’étude des revêtements : tests tribologiques et test de vieillissement horloger

41Le tribomètre bille-disque permet de définir le coefficient de frottement. Ce test permet de caractériser un lubrifiant, d’affiner ses paramètres de dépôts, et de mettre en avant son influence.

42Nous choisissons les deux matériaux en contact, l’un sous forme d’une pastille qui sera mise en rotation, et l’autre sous forme d’une bille sur laquelle une charge est appliquée. Les variables sont la nature des partenaires, la vitesse de rotation et la charge appliquée correspondant à la force normale. La force tangentielle est mesurée au cours du temps

  • 25 Renaud et Renfer, 1973, p.105
  • 26 Maillat et Aubert, 1997

43Dans la montre, les vitesses sont relativement faibles. Elles restent inférieures à 1cm/sec25. Dans les tests horlogers, les paramètres employés au tribomètre bille-disque sont en général une vitesse de 1cm/s avec une charge entre 1 et 10N avec lubrification. Les billes ont un diamètre de 3 ou 6mm. Les matières sont celles présentes dans la montre, au contact que l’on veut étudier.26

44En collaboration avec le Laboratoire Dubois à la Chaux-de-Fonds, un test de vieillissement accéléré a été mis au point afin de contrôler l’usure entre le mobile de centre et le barillet. Ce test est basé sur un test standard de vieillissement de 5 ans. A cette fin, des dépôts de TiSiC et de carbone amorphe ont été réalisés sur des pièces de mouvements ETA. Une fois les pièces nettoyées, le mouvement est en partie remonté. Nous ne remontons que la partie remontoir ainsi que le barillet et la roue de centre. Le reste du rouage ainsi que la partie échappement-balancier sont mis de côté. Le test consiste en une série de cycle d’armage et de désarmage entre la roue de centre et le barillet, tout en mesurant le couple. Le couple étant la force reçue lors du processus d’armage ou de désarmage par rapport à une vitesse constante et définie.

45Le test est composé de deux cycles. Le cycle 1 est une mesure à vitesse lente et constante, de 12 tours par minute, comprenant un armage de 50 tours sur la roue de centre (ce qui correspond donc à 5h de fonctionnement) et un désarmage jusqu’à 0N/cm. Il est effectué une fois par année de vieillissement. Le cycle 2 comprend 5 fois des armages et des désarmages de 24h, avec une vitesse moyenne de 50 tours par minute, une rotation d’1/8 de tour en 100ms, et arrêt durant 50ms 8 fois par tours. Il correspond à une semaine de vieillissement. Il est effectué 260 fois pour obtenir les 5 ans de vieillissement. Des graphiques ont été sortis après 1 an et 5 ans, des 20 derniers tours de désarmage et d’un armage de 50 tours.

46Un mécanisme de référence, lubrifié ETA, a été soumis au test afin de servir de référence dans l’usure et dans les valeurs de couple obtenues. Enfin, des analyses au MEB-EDS nous renseignent sur l’état de dégradations des mobiles après le test de vieillissement accéléré.

Les résultats de notre étude

47Le premier revêtement étudié, le TiSiC, est lubrifiant sur l’acier en couche d’un micron (Fig.7 et 8), en protège la surface et est stable chimiquement. Sa mise en œuvre est non invasive, de plus l’emploi d’une machine industrielle permettrait de stabiliser le procédé et d’abaisser la température du substrat lors du dépôt. Ce revêtement est réversible dans des solutions basiques 1M comme le KOH ou le NaOH, grâce à une sous-couche d’aluminium, déposée également par PVD entre la surface d’origine et le TiSiC. Enfin, il ne modifie pas l’apparence de l’acier sur lequel il est déposé.

Fig. 7 Sillon d’usure d’un contact acier-acier

Fig. 7 Sillon d’usure d’un contact acier-acier

Sillon d’usure d’un contact acier - bille en acier après un test tribologique bille-disque

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

Fig. 8 Sillon d’usure d’un contact TiSiC-acier

Fig. 8 Sillon d’usure d’un contact TiSiC-acier

Sillon d’usure d’un contact TiSiC - bille en acier après un test tribologique bille-disque.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

48Le TiSiC, par contre, n’est pas réalisable sur du laiton. En effet, le plomb présent dans le laiton empêche le dépôt de cette céramique en migrant dans les couches déposées. Plusieurs solutions ont été étudié pour pallier à ce problème : dépôt en dynamique et sur un matériau réfractaire afin d’abaisser la température sur le substrat, ou encore dépôt de couches jouant le rôle de barrière thermique. Malgré une légère amélioration du dépôt, celui-ci ne remplit pas sa fonction.

49Le deuxième revêtement testé dans notre étude est le carbone amorphe. Ce dépôt a une action lubrifiante et de protection de la surface sur de l’acier. Sa mise en œuvre est non invasive pour des mobiles horlogers. Sa réversibilité est obtenue dans une solution de NaOH 1Mgrâce à une sous-couche d’aluminium. Cependant, sa couleur gris anthracite diffère de la couleur de l’acier, et ne réponds pas au cahier des charges sur ce point. Toutefois, des solutions existent pour limiter l’impact visuel de cette couche. Il est possible en effet de déposer le revêtement seulement dans la denture en disposant un cache métallique sur les surfaces ne nécessitant pas un revêtement lubrifiant.

50Sur du laiton, le revêtement de carbone amorphe est lubrifiant. Avec une épaisseur de 1 micron, il protège la surface de l’usure dans les tests au tribomètre bille-disque. Cependant, ce revêtement n’a pu être déposé avec l’épaisseur voulue dans la denture de mobiles horlogers. Des tests de dépôt supplémentaires sont nécessaires pour se prononcer sur l’effet de protection de la surface dans un mouvement remis en fonction. La mise en œuvre du dépôt est non invasive pour ce matériau, cependant sa réversibilité n’est possible que sur des substrats en laiton doré ou en laiton nickelé. Un phénomène de corrosion galvanique apparait entre le carbone amorphe et le zinc présent dans le laiton. Comme dans le cas du dépôt de carbone amorphe sur de l’acier, sa couleur anthracite à un impact visuel sur le mécanisme. Là aussi, un dépôt sélectif uniquement dans la denture permettrait de limiter cet impact.

Fig. 9 Mécanisme de référence : barillet non-revêtu

Fig. 9 Mécanisme de référence : barillet non-revêtu

Après le test de vieillissement horloger une usure importante est visible.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

Fig. 10 Mécanisme contact carbone amorphe-TiSiC : Barillet revêtu de carbone amorphe

Fig. 10 Mécanisme contact carbone amorphe-TiSiC : Barillet revêtu de carbone amorphe

La denture du barillet a été protégée grâce au dépôt de TiSiC du pignon. Nous voyons ici que le dépôt de carbone amorphe n’est pas d’une épaisseur suffisante. Une plus grande épaisseur apporterait certainement de meilleurs résultats.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

Fig. 11 Mécanisme de référence : pignon de centre non-revêtu

Fig. 11 Mécanisme de référence : pignon de centre non-revêtu

Des dépôts provenant du barillet ont été décollés et refixés sur le chemin de contact entre les deux partenaires.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

Fig. 12 Pignon de centre revêtu de TiSiC

Fig. 12 Pignon de centre revêtu de TiSiC

Le dépôt de TiSiC a protégé la denture du pignon et du barillet, jouant le rôle de couche sacrificielle lubrifiante. La couche de TiSiC usée s’est redéposée en périphérie de la zone de contact.

©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012

51Enfin, le couple de carbone amorphe et TiSiC dans un mécanisme horloger présente de bons résultats (Fig.9, 10, 11, 12). L’acier est revêtu de TiSiC et le laiton, quant à lui, est revêtu de carbone amorphe. Ce couple présente des propriétés lubrifiantes, protège la surface lors du fonctionnement du mécanisme, et permet de conserver l'isochronisme. Des phénomènes de tribocorrosion apparaissent, il faudrait continuer l’étude pour connaitre leur impact dans le mécanisme. Le TiSiC est réversible sur l’acier, alors que le carbone amorphe n’est réversible que sur le laiton nickelé et le laiton doré. Il y a une modification de l’apparence de la surface traité dans le cas du laiton. Un dépôt sélectif dans la denture permettrait de limiter cet effet.

Conclusion

52La remise en fonction du patrimoine technique est une finalité tentante pour les musées. Cette remise en fonction comporte des risques pour les objets, notamment du point de vue de leur usure. Nous avons étudié des solutions lubrifiantes et de protection des surfaces pour des mouvements de montres lors d’une remise en fonction occasionnelle dans le cadre d'expositions temporaires ou de démonstrations au public. La compréhension des phénomènes tribologiques ainsi que le traitement de surface permettent d'optimiser les deux surfaces en contact afin de contrôler le frottement et l'usure.

53La lubrification par un revêtement solide présente des avantages face à la lubrification traditionnelle à l’huile. Ce type de lubrification ne nécessite pas d'entretien, comme dans le cas d'une huile qui devra être changée régulièrement. Stable chimiquement, les lubrifiants solides ont une plus grande stabilité dans le temps comparé aux huiles qui, sensibles à l'environnement, vont s'oxyder, se figer ou s'évaporer suivant la température auxquelles elles sont soumises. Le revêtement lubrifiant solide présente également comme avantage de protéger la surface, en tant que matériau sacrificiel dans le contact.

  • 27  L'étude complète, ainsi que les étapes pour l'industrialisation et le coût de tels revêtements, so (...)

54Des tests supplémentaires sont nécessaires, notamment pour stabiliser le dépôt de TiSiC et pouvoir revêtir le carbone amorphe avec l’épaisseur voulue. Cette étude nécessite encore de nombreux développements. Seul le mécanisme d'une montre de poche sans complications au contact barillet-pignon a pu être étudié27, notamment du fait des limites de temps impartis et de taille des composants traitables dans le laboratoire. Il est nécessaire d'étudier d'autres mécanismes et de pouvoir transposer ces couches solides lubrifiantes à la totalité du mécanisme afin de remplacer toutes les huiles et graisses présentes. Enfin, seule une application sur des mécanismes anciens et après plusieurs années de fonctionnement pourra à terme rendre compte de l’effet réel des revêtements.

55Au-delà de l’application en horlogerie, ces revêtements pourraient être appliqués à d’autres types de patrimoine technique. Notre profession s’inscrit dans une dynamique pluridisciplinaire, des solutions peuvent être trouvées en travaillant avec des professionnels d’autres milieux.

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Bibliographie

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Notes

1  Loi de Coulomb

2 Takadoum, 2007, p.73-77

3 Holmberg, 1998

4 Holmberg, 1998

5 Holmberg, 2000

6 Renaud et Renfer, 1973, p.3-7

7 Renaud et Renfer, 1973, p.13-31

8 Renaud et Renfer, 1973, p.13-31

9 Huilage d’une montre mécanique [en ligne]

10 Renaud et Renfer, 1973, p.8-10

11 Maillat, 2008

12 Cornet et Deville, 1998

13 Manasterski, 2012

14 Matthey and al., 2004

15 Vermot and al., 2004

16 Laupert et Maier, 2000

17 Manasterski, 2012

18 Laupert et Maier, 2000

19 Manasterski, 2012

20 Laupert et Maier, 2000

21 Manasterski, 2012

22 Manasterski, 2012

23 Donnet and al., 2007

24  Les barillets ETA sont en laiton nickelé

25 Renaud et Renfer, 1973, p.105

26 Maillat et Aubert, 1997

27  L'étude complète, ainsi que les étapes pour l'industrialisation et le coût de tels revêtements, sont disponibles auprès de l'auteur ou de la HECR Arc.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 Le contact tribologique
Légende Le contact tribologique est expliqué en changement à l’échelle macroscopique et microscopique, chimique, moléculaire et en transfert des matériaux.
Crédits ©Holmberg 2000
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 196k
Titre Fig. 2 Dépôt de TiSiC
Légende Roues de centre non revêtue (à gauche) et revêtue de TiSiC (à droite).
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 764k
Titre Fig. 3 Dépôt de carbone amorphe
Légende Barillet revêtu de carbone amorphe.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 648k
Titre Fig. 4 Mouvement de montre de poche
Légende Mécanisme du MIH datant du milieu du XIXème siècle, côté rouage.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 408k
Titre Fig. 5 Schéma d’un mouvement de montre
Légende Schéma fonctionnel d’un mouvement de montre et terminologie, où le barillet et le pignon de centre en contact sont visibles
Crédits ©Cosandey
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 664k
Titre Fig. 6 Mouvement ETA 6498-1, côté rouage
Légende Mouvement ETA pour l’étude des revêtements
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 416k
Titre Fig. 7 Sillon d’usure d’un contact acier-acier
Légende Sillon d’usure d’un contact acier - bille en acier après un test tribologique bille-disque
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 740k
Titre Fig. 8 Sillon d’usure d’un contact TiSiC-acier
Légende Sillon d’usure d’un contact TiSiC - bille en acier après un test tribologique bille-disque.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 424k
Titre Fig. 9 Mécanisme de référence : barillet non-revêtu
Légende Après le test de vieillissement horloger une usure importante est visible.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 388k
Titre Fig. 10 Mécanisme contact carbone amorphe-TiSiC : Barillet revêtu de carbone amorphe
Légende La denture du barillet a été protégée grâce au dépôt de TiSiC du pignon. Nous voyons ici que le dépôt de carbone amorphe n’est pas d’une épaisseur suffisante. Une plus grande épaisseur apporterait certainement de meilleurs résultats.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 324k
Titre Fig. 11 Mécanisme de référence : pignon de centre non-revêtu
Légende Des dépôts provenant du barillet ont été décollés et refixés sur le chemin de contact entre les deux partenaires.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-11.jpg
Fichier image/jpeg, 340k
Titre Fig. 12 Pignon de centre revêtu de TiSiC
Légende Le dépôt de TiSiC a protégé la denture du pignon et du barillet, jouant le rôle de couche sacrificielle lubrifiante. La couche de TiSiC usée s’est redéposée en périphérie de la zone de contact.
Crédits ©HECR Arc, Emilie Cornet, 2012
URL http://ceroart.revues.org/docannexe/image/4151/img-12.jpg
Fichier image/jpeg, 337k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Emilie Cornet, « Vers une lubrification sèche pour le patrimoine horloger  », CeROArt [En ligne], 4 | 2014, mis en ligne le 02 avril 2014, consulté le 25 juin 2017. URL : http://ceroart.revues.org/4151

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Auteur

Emilie Cornet

Haute Ecole Arc, Conservation-restauration de Neuchâtel

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Droits d’auteur

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