Organe coulissant La présente invention a pour objet un organe coulis sant présentant une surface de glissement constituée par un métal de base.
Il arrive parfois que la lubrification des segments de piston de moteurs à combustion interne ou des seg ments de piston et des bagues d'étanchéité de compres seurs à gaz soit très déficiente. Dans de tels cas, l'emploi de segments de piston en fonte est prohibé en raison des risques d'usure trop rapide. C'est pourquoi on a parfois utilisé des éléments réalisés en cupro-alliages, tels que le bronze phosphoreux ou le bronze au plomb, au lieu de fonte.
Ces métaux de remplacement présentent des inconvénients; en effet, dans des compresseurs à gaz à très haute pression, des ruptures de segments de piston et de bagues d'étanchéité se produisirent par suite de conditions de lubrification défectueuses en cours de fonctionnement. Un nombre croissant d'applications exige donc l'emploi de segments en métaux de haute résistance susceptibles non seulement de supporter des conditions de lubrification défavorables, mais encore de résister à toutes contraintes de flexion ou de rupture.
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. L'organe coulissant selon l'invention est caractérisé en ce que la surface de glissement présente des saillies et des creux, les creux étant remplis d'un métal à pro priétés autolubrifiantes.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une micrographie (agrandissement 200) d'un cupro-alliage ; la fig. 2 est une vue en plan partielle d'une forme d'exécution ; la fig. 3 est une vue en plan partielle d'une autre forme d'exécution ; la fig. 4 est une vue en plan partielle d'une troisième forme d'exécution<B>,</B> la fig. 5 est une coupe axiale partielle d'un segment de piston.
Le métal de base des organes coulissants décrits est un cupro-alliage ne contenant pas de plomb et présen tant une résistance à la traction très élevée, ainsi qu'un bon coefficient de frottement tel que du bronze phos phoreux coulé, du laiton à haute résistance, du bronze à canon ou du cupro-béryllium, la surface de glissement de ce métal de base étant usinée comme indiqué sur les fig. 2à4.
Dans la première forme d'exécution, illustrée à la fig. 2, la surface de glissement 1 présente une multitude de petits trous 2 disposés aussi régulièrement que possi ble, ces trous 2 étant remplis de plomb 4. Dans la deuxième forme d'exécution. illustrée à la fig. 3, une multitude de fines rainures parallèles 3 sont disposées perpendiculairement au sens de glissement de la surface de glissement 1, les rainures 3 étant remplies de plomb 4.
Dans la troisième forme d'exécution, illustrée à la fig. 4, de fines rainures 3' sont disposées obliquement par rapport au sens de glissement de la surafce de glisse ment 1, les rainures 3' étant remplies de plomb 4.
Grâce à une telle structure, chacune des surfaces de glissement présente, en apparence, une texture similaire à celle d'un cupro-alliage contenant du plomb et possède d'excellentes propriétés de glissement. En outre, étant donné que le métal de base ne contient pas de plomb, il ne peut pas se déformer ni se briser.
La quantité de plomb à incorporer à la surface, peut être dosée à la valeur désirée par modification du nombre de petits trous ou rainures pratiqués dans la surface. Dans le cas illustré à la fig. 2, il convient d'accorder une attention particulière à la dimension, à la section et à la répartition des petits trous. Dans les cas illustrés aux fig. 3 et 4, une attention particulière doit être accordée à la largeur de chacune des petites rainures et à l'intervalle séparant deux rainures adjacentes.
L'intervalle séparant les trous ou les rainures doit, de préférence, être aussi réduit que possible. La raison en est qu'en cas de rupture du film d'huile de lubrification adhérant aux surfaces des orga nes métalliques, le plomb est extrait par fusion des petits trous ou rainures et forme une pellicule mince qui recou vre la surface de glissement de l'organe de glissement, de manière à éviter un grippage.
Si l'intervalle séparant chaque paire de trous ou de rainures adjacents est trop grand, la pellicule de plomb ainsi formée ne pourra recouvrir la totalité de la surface de glissement, permet tant alors un contact direct entre les organes métalliques. Dans ce cas, il se produira d'abord un grippage initial local, lequel s'étendra ensuite à toute la surface de con tact. L'intervalle séparant les trous ou rainures contenant du plomb varie selon le type de machines, les conditions d'utilisation. etc., la distance optimale étant fonction de l'application particulière envisagée. En tout cas, cet inter valle doit être aussi court que possible.
De même, la gamme optimale de la teneur en plomb varie avec le type de machines et les conditions d'utilisation.
Les cupro-alliages ordinaires contenant du plomb, qui ont été utilisés jusqu'à présent, avaient une teneur en plomb comprise entre 3 et 30 0/0. Par modification de la disposition des trous et des rainures, il est naturellement possible d'assurer des teneurs en plomb comprises dans la gamme citée, mais le processus de fabrication décrit p rmet également de faire varier la masse de plomb par rapport à celle du reste de l'alliage à l'intérieur d'une plage encore plus étendue. L'élaboration de cupro-allia- ges contenant du plomb se heurte à des difficultés d'ordre technique.
Les procédés classiques ne permettent guère d'obtenir un alliage à teneur en plomb supérieure à 20 lo, à moins de consentir à un sacrifice considérable quant à la résistance mécanique.
L'une des caractéristiques les plus remarquables du processus décrit est que la quantité de plomb incorporée à la surface de glissement peut être modifiée selon les besoins, indépendamment de la résistance mécanique du métal de base.
Les trous ou les rainures dans la surface de glisse nient sont réalisés par usinage de l'organe coulissant. Les rainures peuvent être disposées en grand nombre à inter valles réguliers, perpendiculairement au sens de glisse ment ou peuvent être de forme hélico'idale. Elles peuvent, en outre, être agencées sous forme d'une multitude d'en tailles transversales obliques. La profondeur des rainures peut être librement choisie, en vue de l'utilisation parti- caslière, à l'intérieur d'une plage n'affectant pas la résis tance mécanique de l'organe de glissement.
Les procédés de remplissage de ces petits trous ou rainures compren nent la projection de plomb fondu, le revêtement par déplacement et l'immersion dans un bain de plomb fondu. En tous cas, après remplissage ou déposition du plomb, la surface de glissement subit un usinage de finissage.
Exemple Du bronze phosphoreux cômprenant. f,25 '% de Sn, 0,18 % de P, le reste étant constitué: par-dù cuivre;
fut usiné de manière à obtenir une. éprouvette . mesurant 18,0 mm de largeur, 12,0 mm de longueur et 5,0 mm de hauteur. La surface de glissement de l'éprouvette fut dotée de cinq rainures ayant chacune 0,5 mm de largeur et 0,5 mm de profondeur<B>;</B> ces rainures furent disposées pa rallèlement l'une par rapport à l'autre, à intervalles prédé terminés. Du plomb fondu fut projeté sur la surface et, après polissage, la surface de glissement fut soumise à un essai d'abrasion.
L'essai fut effectué à l'aide d'un appa reil du type à friction par glissement plan, la vitesse de friction étant de 5 mètres/seconde. La lubrification fut assurée à l'aide d'un mélange lubrifiant constitué par 50 % d'huile de lubrification paraffinique et 50% d'huile lampante purifiée. L'éprouvette fut soumise au glissement jusqu'à apparition d'un grippage, après quoi on examina le rapport entre la charge de frottement et l'usure et on procéda à un essai de grippage.
Le métal contre lequel s'opérait le glissement était de la fonte de composition : 2,9-0'% de C, 2,08'% de Si, 0,55 % de Mn, 0,22 % de P et 0,
032 % de S. Les résultats des essais révélèrent que la perte de matière d'une éprouvette n'ayant pas été garnie de plomb était de 950 mg sous une charge de frottement de 50 kg/cm2 et de 1250 mg sous une charge de frottement de 75 1,-g/cm2, alors que la surface de glissement traitée par projection de plomb présentait une perte de matière par abrasion de seule ment 45 mg sous une charge de 50 kg/cm2,
120 mg sous 75 kg/cm7- et 330 mg sous<B>100</B> kg/cm2. Lorsque la surface de glissement fut dotée de dix rainures au lieu de cinq, la perte de matière par abrasion de l'éprouvette soumise à l'essai sous les mêmes conditions fut de 14 mg sous une charge de 50 kg/cm2, 18 mg sous 75 1,-g/cm2, 30 mg sous 100 kg/cm- et 100 mg sous 125 kg/cm@. Ces résul tats indiquent qu'une surface de glissement ayant été traitée par projection de plomb présente d'excellentes propriétés de glissement.
Les essais révélèrent également qu'une augmentation du rapport des surfaces entre plomb et surface traitée réduisait la perte par abrasion.
Sliding member The present invention relates to a sliding member having a sliding surface formed by a base metal.
Occasionally, the lubrication of internal combustion engine piston rings or of gas compressor piston rings and sealing rings is very poor. In such cases, the use of cast iron piston rings is prohibited because of the risk of too rapid wear. This is why we have sometimes used elements made of cupro-alloys, such as phosphor bronze or lead bronze, instead of cast iron.
These replacement metals have drawbacks; in fact, in very high pressure gas compressors, ruptures of piston rings and sealing rings have occurred as a result of faulty lubrication conditions during operation. An increasing number of applications therefore requires the use of segments made of high strength metals capable not only of withstanding unfavorable lubrication conditions, but also of withstanding any bending or breaking stresses.
The aim of the invention is to overcome these drawbacks. The sliding member according to the invention is characterized in that the sliding surface has protrusions and hollows, the hollows being filled with a metal with self-lubricating properties.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, some embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 is a micrograph (magnification 200) of a cupro-alloy; fig. 2 is a partial plan view of one embodiment; fig. 3 is a partial plan view of another embodiment; fig. 4 is a partial plan view of a third embodiment <B>, </B> FIG. 5 is a partial axial section of a piston ring.
The base metal of the sliding members described is a cupro-alloy which does not contain lead and has a very high tensile strength, as well as a good coefficient of friction such as cast phos phorous bronze, high strength brass , gunmetal or cupro-beryllium, the sliding surface of this base metal being machined as shown in fig. 2 to 4.
In the first embodiment, illustrated in FIG. 2, the sliding surface 1 has a multitude of small holes 2 arranged as regularly as possible, these holes 2 being filled with lead 4. In the second embodiment. illustrated in fig. 3, a multitude of fine parallel grooves 3 are arranged perpendicular to the sliding direction of the sliding surface 1, the grooves 3 being filled with lead 4.
In the third embodiment, illustrated in FIG. 4, fine grooves 3 'are arranged obliquely with respect to the sliding direction of the sliding surface 1, the grooves 3' being filled with lead 4.
Due to such a structure, each of the sliding surfaces has, in appearance, a texture similar to that of a lead-containing cupro-alloy and has excellent sliding properties. Also, since the base metal does not contain lead, it cannot deform or break.
The quantity of lead to be incorporated into the surface can be dosed to the desired value by modifying the number of small holes or grooves made in the surface. In the case illustrated in fig. 2, special attention should be paid to the size, section and distribution of small holes. In the cases illustrated in fig. 3 and 4, special attention should be paid to the width of each of the small grooves and the gap between two adjacent grooves.
The gap between the holes or grooves should preferably be as small as possible. The reason for this is that if the lubricating oil film adhering to the surfaces of metal bodies breaks, the lead is melted out of the small holes or grooves and forms a thin film which covers the sliding surface of the metal. 'sliding member, so as to avoid seizing.
If the gap separating each pair of adjacent holes or grooves is too large, the lead film thus formed will not be able to cover the whole of the sliding surface, thus allowing direct contact between the metal members. In this case, there will first occur an initial local seizure, which will then extend to the entire contact surface. The interval between holes or grooves containing lead varies according to the type of machine, the conditions of use. etc., the optimum distance being a function of the particular application envisaged. In any case, this interval should be as short as possible.
Likewise, the optimum range of lead content varies with the type of machinery and the conditions of use.
Ordinary lead-containing cupro-alloys which have been used heretofore had a lead content of between 3 and 30%. By modifying the arrangement of the holes and grooves, it is of course possible to ensure lead contents included in the cited range, but the manufacturing process described also allows the mass of lead to be varied with respect to that of the rest. of the alloy within an even wider range. The development of cupro-alloys containing lead comes up against technical difficulties.
Conventional processes hardly allow an alloy with a lead content of more than 20% to be obtained, unless a considerable sacrifice is made in terms of mechanical strength.
One of the most remarkable features of the described process is that the amount of lead incorporated into the sliding surface can be changed as needed, regardless of the strength of the base metal.
Holes or grooves in the sliding surface are made by machining the sliding member. The grooves can be arranged in large number at regular intervals, perpendicular to the direction of sliding or can be of helical shape. They can, moreover, be arranged in the form of a multitude of oblique transverse sizes. The depth of the grooves can be freely chosen, with a view to the particular use, within a range which does not affect the mechanical strength of the sliding member.
The methods of filling these small holes or grooves include spraying molten lead, displacement coating and immersion in a bath of molten lead. In any case, after filling or deposition of lead, the sliding surface undergoes finishing machining.
Example Of phosphorous bronze including. f, 25% Sn, 0.18% P, the remainder being: par-copper;
was machined so as to obtain a. test tube. measuring 18.0mm in width, 12.0mm in length and 5.0mm in height. The sliding surface of the specimen was provided with five grooves each 0.5 mm wide and 0.5 mm deep <B>; </B> these grooves were arranged parallel to each other with respect to the other, at predefined intervals. Molten lead was sprayed onto the surface and, after polishing, the sliding surface was subjected to an abrasion test.
The test was carried out using an apparatus of the plane sliding friction type, the friction speed being 5 meters / second. Lubrication was provided with a lubricant mixture consisting of 50% paraffinic lubricating oil and 50% purified lampante oil. The specimen was slid until a seizure appeared, after which the relationship between frictional load and wear was examined and a seizure test was performed.
The metal against which the sliding was operated was cast iron with the composition: 2.9-0 '% C, 2.08'% Si, 0.55% Mn, 0.22% P and 0,
032% of S. The results of the tests revealed that the loss of material of a test piece which had not been packed with lead was 950 mg under a frictional load of 50 kg / cm2 and 1250 mg under a frictional load. of 75 1, -g / cm2, while the sliding surface treated by spraying lead showed an abrasion loss of only 45 mg under a load of 50 kg / cm2,
120 mg under 75 kg / cm7- and 330 mg under <B> 100 </B> kg / cm2. When the sliding surface was provided with ten grooves instead of five, the loss of material by abrasion of the test piece under the same conditions was 14 mg under a load of 50 kg / cm2, 18 mg under 75 1, -g / cm2, 30 mg under 100 kg / cm- and 100 mg under 125 kg / cm @. These results indicate that a sliding surface which has been sprayed with lead exhibits excellent sliding properties.
Tests also showed that increasing the ratio of areas between lead and treated area reduced abrasion loss.