EP1061153A1 - Pièce mécanique de friction recouverte d'oxydes triboactifs présentant un défaut de cations métalliques - Google Patents

Pièce mécanique de friction recouverte d'oxydes triboactifs présentant un défaut de cations métalliques Download PDF

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EP1061153A1
EP1061153A1 EP00401715A EP00401715A EP1061153A1 EP 1061153 A1 EP1061153 A1 EP 1061153A1 EP 00401715 A EP00401715 A EP 00401715A EP 00401715 A EP00401715 A EP 00401715A EP 1061153 A1 EP1061153 A1 EP 1061153A1
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Tom Linnemann
Gérard Desplanches
Bernard Criqui
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/04—Phosphor

Definitions

  • the present invention relates to mechanical friction parts for internal combustion engines lubricated by a fluid, bearing a anti-wear coating based on specific metal oxides with a stoichiometric defect in metal cations.
  • the Applicant has discovered the surprising fact that a group of materials rarely used in mechanical engineering due to important creep phenomena, had very lubricating properties interesting when used as a solid lubricant applied on the surface of the mechanical friction parts of the engine.
  • These new triboactive materials are metallic oxides individuals with a weak defect in metal cations compared to to the stoichiometry of the mother oxide.
  • triboactive coatings applied to the surface of mechanical friction parts (homogeneous layer), either in the form of triboactive particles dispersed in a layer metallic or ceramic on the surface of mechanical friction parts (composite layer).
  • the object of the present invention is therefore a part friction mechanics for coated internal combustion engines, on a part or all of its surface, of a layer comprising at least a metal oxide having a stoichiometric cation defect metallic.
  • the invention also relates to manufacturing methods of a mechanical friction part for internal combustion engines coated, on part or all of its surface, with a layer comprising at least one metal oxide having a stoichiometric defect of metal cations.
  • the metal oxides having a stoichiometric defect in metal cations which can be used according to the present invention are chosen in particular from the following: Ni 1-y O, Co 1-y O, Cr 2-y O. Fe 1-y O, Fe 3-y O 4 Mn 1-y O where 10 -5 ⁇ y ⁇ 0.15.
  • the value of y determines the amount of creep and therefore the anti-wear properties of these oxides.
  • the appearance of gaps of metal ions in the crystal lattice of the oxide decreases by several orders of magnitude the creep stress and greatly improves its anti-wear properties.
  • the preferred ranges for y vary according to the different metal oxides. These preferred ranges are in particular the following: 10 -4 ⁇ y ⁇ 10 -2 for Ni 1-y O, Co 1-y O and Cr 2-y O 10 -3 ⁇ y ⁇ 0.15 for Fe 1-y O, 10 -3 ⁇ y ⁇ 0.03 for Fe 3-y O 4 , 10 -5 ⁇ y ⁇ 0.1 for Mn 1-y O
  • the thickness of the layer of triboactive material depends on the nature and architecture of the coating and the deposition process chosen and it will be adjusted according to the tribological constraints to which submitted the piece.
  • the thickness of this coating is generally between 5 ⁇ m and 1000 ⁇ m, and preferably between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m, at operational status.
  • the thickness of this matrix containing triboactive particles is included between 5 ⁇ m and 1000 ⁇ m, and preferably between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m, at operational status.
  • the matrix of the tri-boactive composite layer of the present invention may be a metallic or ceramic matrix.
  • metallic matrices examples include iron, nickel, nickel-phosphorus, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, an alloy of these metals, or cast iron and aluminum, brass (CuZn) or bronze (CuSn).
  • Ceramic matrices which can be used for the composite coatings according to the present invention are for example based on Al 2 O 3 , ZrO 2 , Cr 2 O 3 , TiO 2 or a mixture of these.
  • the average size of triboactive metal oxide particles presenting a stoichiometric defect in metallic cations used according to the present invention is generally between 0.3 and 30 ⁇ m, preferably between 0.5 and 5 ⁇ m.
  • the metallic or ceramic matrix are present in the metallic or ceramic matrix to from 5% to 70% by weight, preferably from 10% to 40% by weight relative to the total weight of the composite layer (matrix + particles). For a content of less than 5%, the anti-wear effectiveness of the coating is insufficient. Above 70% by weight, there are, for the most part ceramic and metallic matrices, a risk of lack of cohesion and / or adhesion of the composite layer.
  • triboactive coatings of the present invention are suitable only for mechanical friction parts submitted, in the motor, to sliding constraints.
  • lifters, camshaft cams, piston pins, segments, liners, valve guides, valve stems, timing rings and gears oil pump we can mention in particular the lifters, camshaft cams, piston pins, segments, liners, valve guides, valve stems, timing rings and gears oil pump.
  • Anti-wear coatings based on metal oxides with a stoichiometric defect in cations can be deposited on the surface mechanical parts by thermal spraying or by galvanic deposition.
  • a fine powder of metal oxide having a stoichiometric cation defect metallic or a mixture of such a powder with a powder forming the matrix of the composite coating, namely a metallic powder or a ceramic powder.
  • Galvanic deposition is especially suitable for composite coatings with metallic matrix in nickel, nickel-phosphorus or chromium.

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Abstract

La présente invention concerne des pièces mécaniques de friction pour moteurs à combustion interne portant un revêtement anti-usure à base d'oxydes métalliques présentant des défauts de cations métalliques tels que Ni1-yO, Co1-yO, Cr2-yO, Fe1-yO, Fe3-yO4 et Mn1-yO avec 10-5 < y < 0,15.

Description

La présente invention concerne des pièces mécaniques de friction pour moteurs à combustion interne lubrifiés par un fluide, portant un revêtement anti-usure à base d'oxydes métalliques particuliers présentant un défaut stoechiométrique en cations métalliques.
La lubrification des moteurs de véhicules automobiles par des lubrifiants traditionnels à base d'huiles minérales contenant une fraction importante d'additifs (anti-usure, extrême-pression, indice de viscosité, anti-corrosion etc.) pose d'importants problèmes liés d'une part à la toxicité et aux nuisances écologiques que présentent ces huiles moteur, et d'autre part à la nécessité, pour l'utilisateur, de renouveler à des intervalles réguliers ces huiles usées par la dégradation et l'épuisement des additifs.
Une approche intéressante pour résoudre ces problèmes a consisté à transférer une partie des fonctions assumées classiquement par l'huile moteur sur des revêtements des pièces mécaniques soumises à des frottements. Les matériaux formant ces revêtements capables de remplir ces fonctions de lubrification seront appelés par la suite matériaux "triboactifs".
La demanderesse a découvert le fait surprenant qu'un groupe de matériaux rarement utilisés en construction mécanique en raison d'importants phénomènes de fluage, présentaient des propriétés lubrifiantes très intéressantes lorsqu'ils étaient utilisés en tant que lubrifiant solide appliqué à la surface des pièces mécaniques de friction du moteur.
Ces nouveaux matériaux triboactifs sont des oxydes métalliques particuliers présentant un faible défaut en cations métalliques par rapport à la stoechiométrie de l'oxyde-mère.
Ils peuvent être utilisés soit sous forme de revêtement triboactif appliqué à la surface des pièces mécaniques de friction (couche homogène), soit sous forme de particules triboactives dispersées dans une couche métallique ou céramique à la surface des pièces mécaniques de friction (couche composite).
L'objet de la présente invention est par conséquent une pièce mécanique de friction pour moteurs à combustion interne revêtue, sur une partie ou sur la totalité de sa surface, d'une couche comprenant au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques.
L'invention a également pour objet des procédés de fabrication d'une pièce mécanique de friction pour moteurs à combustion interne revêtue, sur une partie ou sur la totalité de sa surface, d'une couche comprenant au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques.
Les oxydes métalliques présentant un défaut stoechiométrique en cations métalliques utilisables selon la présente invention sont choisis notamment parmi les suivants :
   Ni1-yO,
   Co1-yO,
   Cr2-yO.
   Fe1-yO,
   Fe3-yO4
   Mn1-yO où 10-5 < y < 0,15.
La valeur de y détermine l'importance du fluage et par conséquent les propriétés anti-usure de ces oxydes.
Les oxydes stoechiométriques (y = 0) ont, certes, des propriétés tribologiques mais celles-ci sont très faibles. L'apparition de lacunes d'ions métalliques dans le réseau cristallin de l'oxyde diminue de plusieurs ordres de grandeur la contrainte de fluage et améliore considérablement ses propriétés d'anti-usure.
Les fourchettes préférées pour y varient en fonction des différents oxydes métalliques. Ces fourchettes préférées sont en particulier les suivantes:
   10-4 < y < 10-2 pour Ni1-yO, Co1-yO et Cr2-yO
   10-3 < y < 0,15 pour Fe1-yO,
   10-3 < y < 0,03 pour Fe3-yO4,
   10-5 < y < 0,1 pour Mn1-yO
L'épaisseur de la couche de matériau triboactif dépend de la nature et de l'architecture du revêtement et du procédé de dépôt choisi et elle sera ajustée en fonction des contraintes tribologiques auxquelles sera soumise la pièce.
Plus particulièrement, lorsque l'oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique en cations métalliques est appliqué sous forme d'un revêtement homogène, l'épaisseur de ce revêtement est généralement comprise entre 5 µm et 1000 µm, et de préférence entre 10 µm et 200 µm, à l'état opérationnel.
Lorsque l'oxyde métallique est présent sous forme de particules dans une matrice métallique ou céramique (revêtement composite), l'épaisseur de cette matrice contenant des particules triboactives est comprise entre 5 µm et 1000 µm, et de préférence entre 10 µm et 100 µm, à l'état opérationnel.
Comme indiqué ci-dessus, la matrice de la couche composite tri-boactive de la présente invention peut être une matrice métallique ou céramique.
On peut citer à titre d'exemples de matrices métalliques des matrices en fer, en nickel, en nickel-phosphore, en chrome, en cobalt, en tungstène, en molybdène, en un alliage de ces métaux, ou en fonte de fer et d'aluminium, en laiton (CuZn) ou en bronze (CuSn).
Des matrices céramiques utilisables pour les revêtements composites selon la présente invention sont par exemple à base d'Al2O3, de ZrO2, de Cr2O3, de TiO2 ou d'un mélange de ceux-ci.
La taille moyenne des particules triboactives en oxydes métalliques présentant un défaut stoechiométrique en cations métalliques utilisées selon la présente invention est généralement comprise entre 0,3 et 30 µm, de préférence entre 0,5 et 5 µm.
Elles sont présentes dans la matrice métallique ou céramique à raison de 5 % à 70 % en poids, de préférence à raison de 10 % à 40 % en poids rapporté au poids total de la couche composite (matrice + particules). Pour une teneur inférieure à 5 %, l'efficacité anti-usure du revêtement est insuffisante. Au-delà de 70 % en poids, il y a, pour la plupart des matrices céramiques et métalliques, un risque de manque de cohésion et/ou d'adhésion de la couche composite.
Les revêtements triboactifs de la présente invention conviennent uniquement pour des pièces mécaniques de friction soumises, dans le moteur, à des contraintes de glissement. On peut citer en particulier les poussoirs, cames d'arbres à cames, axes de piston, segments, chemises, guides de soupape, tiges de soupape, anneaux de synchronisation et engrenages de pompe à huile.
Les revêtements anti-usure à base d'oxydes métalliques présentant un défaut stoechiométrique en cations peuvent être déposés à la surface des pièces mécaniques par projection thermique ou par dépôt galvanique.
Pour la projection thermique, on applique soit une fine poudre de l'oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques, soit un mélange d'une telle poudre avec une poudre formant la matrice du revêtement composite, à savoir une poudre métallique ou une poudre céramique.
Le dépôt galvanique convient surtout pour les revêtements composites à matrice métallique en nickel, en nickel-phosphore ou en chrome.

Claims (13)

  1. Pièce mécanique de friction pour moteurs à combustion interne revêtue, sur une partie ou sur la totalité de sa surface, d'une couche comprenant au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques, choisi parmi Co1-yO, Cr2-yO, Fe3-yO4 et Mn1-yO avec 10-5 < y < 0,15.
  2. Pièce mécanique de friction selon la revendication 1, caractérisée par le fait que
       10-4 < y < 10-2 pour CO1-yO et Cr2-yO,
       10-3 < y < 0,03 pour Fe3-yO4, et
       10-5 < y < 0,1 pour Mn1-yO.
  3. Pièce mécanique de friction selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que ladite couche comprenant au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques est une couche homogène.
  4. Pièce mécanique de friction selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'épaisseur de la couche homogène d'oxyde(s) métallique(s) présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques est comprise entre 5 µm et et 1000 µm, de préférence entre 10 µm et 200 µm.
  5. Pièce mécanique de friction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ladite couche comprenant au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques est constituée d'une matrice métallique ou céramique contenant des particules triboactives d'au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques.
  6. Pièce mécanique de friction selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ladite matrice métallique contenant les particules triboactives est constituée de fer, de nickel, de nickel-phosphore, de chrome, de cobalt, de tungstène, de molybdène, d'un alliage de ces métaux, ou de fonte de fer et d'aluminium, de laiton (CuZn) ou de bronze (CuSn).
  7. Pièce mécanique de friction selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ladite matrice céramique contenant les particules triboactives est constituée de Al2O3, ZrO2, de Cr2O3, de TiO2 ou d'un mélange de ceux-ci.
  8. Pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée par le fait que l'épaisseur de ladite matrice céramique ou métallique renfermant des particules triboactives est comprise entre 5 µm et 1000 µm, et de préférence entre 10 µm et 100 µm.
  9. Pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée par le fait que lesdites particules triboactives ont une taille moyenne comprise entre 0,3 et 30 µm, de préférence entre 0,5 et 5 µm.
  10. Pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée par le fait que ladite matrice céramique ou métallique contient de 5 % à 70 % en poids, de préférence de 10 % à 40 % en poids de particules triboactives.
  11. Pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'il s'agít d'un poussoir, d'une came d'arbre à cames, d'un axe de piston, d'un segment, d'une chemise, d'un guide de soupape, d'une tige de soupape, d'un anneau de synchronisation ou d'un engrenage de pompe à huile.
  12. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on applique par projection thermique - sur une partie ou sur la totalité de la surface d'une pièce de base - une poudre d'au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique de cations métalliques, ou un mélange d'une poudre d'au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique en cation et d'une poudre métallique ou céramique.
  13. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique de friction selon l'une quelconque des revendications 5,6 et 8 à 11, caractérisé par le fait que l'on applique par dépôt galvanique - sur une partie ou sur la totalité de la surface d'une pièce de hase - un mélange d'une poudre d'au moins un oxyde métallique présentant un défaut stoechiométrique en cation et d'un métal choisi parmi le nickel, le nickel-phosphore et le chrome.
EP00401715A 1999-06-16 2000-06-16 Pièce mécanique de friction recouverte d'oxydes triboactifs présentant un défaut de cations métalliques Withdrawn EP1061153A1 (fr)

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