EP1466995B1 - Procédé de traitement d'une soupape comportant une étape de nitruration et soupape obtenue par le procédé - Google Patents

Procédé de traitement d'une soupape comportant une étape de nitruration et soupape obtenue par le procédé Download PDF

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EP1466995B1 EP04300191A EP04300191A EP1466995B1 EP 1466995 B1 EP1466995 B1 EP 1466995B1 EP 04300191 A EP04300191 A EP 04300191A EP 04300191 A EP04300191 A EP 04300191A EP 1466995 B1 EP1466995 B1 EP 1466995B1
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valve
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valve seat
nitriding
engine
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M. Denis Sylvestre
M. Brice Bayle
M. Alain Paris
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an internal combustion engine valve.
  • the present invention relates more particularly to a method of treating an internal combustion engine valve comprising a nitriding step so as to form thereon a peripheral layer of nitrided material.
  • Displacement of the valve and its repeated contact with the associated valve seat, by its range, is likely to cause rapid wear of the valve seat and seat, particularly when the fuel used in the engine is low. or not lubricating.
  • Sintered steel valve seats having a high level of cobalt and molybdenum can be made.
  • the pores of the valve seat can be impregnated with a lubricating material which is immiscible with the steel in a liquid state such as lead.
  • the valve seat can be shielded by a torch-deposited stencil method or "Arc Transfer Plasma".
  • the types of Stellite commonly used are: Stellite 12 (Cobalt base), Stellite grade F (Cobalt base) and Stellite base Fer.
  • the valve seats can be hardened by heat treatment when the valve head is made of martensitic steel.
  • the invention therefore aims to more effectively limit the adhesive and abrasive wear between the valve seat and the associated valve seat.
  • the invention provides a method of the type described above, characterized in that the nitriding step is followed by a finishing step to improve the surface state of the valve at its level against the valve seat, retaining a nitrided layer of sufficient thickness to withstand the combustion temperatures of the engine.
  • the invention also provides a combustion engine valve which is obtained by the method according to one of the preceding features, characterized in that the thickness of the layer of material treated by nitriding, at the level of the scope, after the finishing step, is greater than or equal to five micrometers.
  • breech portion 10 of an internal combustion engine There is shown in the single figure a breech portion 10 of an internal combustion engine.
  • the cylinder head 10 has an exhaust duct 12 which makes it possible to communicate the combustion chamber of the engine with the exhaust manifold (not shown) of the engine.
  • the exhaust duct 12 is capable of being closed by an exhaust valve 14 which is guided axially in a valve guide 16 arranged in the cylinder head 10 of the engine.
  • the valve 14 is mounted movable along its axis of displacement, which is here vertical.
  • the valve 14 has a valve stem 18 and a valve head 20 which closes the exhaust duct 12 when the valve 14 is in its closed position.
  • the valve head 20 comprises a substantially frustoconical bearing surface 22 which is provided to bear axially against a complementary valve seat 24 arranged in the cylinder head 10 when the valve 14 is in its closed position.
  • the seat 24 is here reported in the exhaust duct 12.
  • the general shape of the valve 14 is obtained by conventional manufacturing steps involving, for example, forging and machining.
  • the manufacturing process of the valve 14 then comprises steps which make it possible to give the valve 14 its definitive shape, before it is mounted in the engine.
  • the process comprises a so-called nitriding step, during which the valve is treated by enriching with nitrogen.
  • the nitriding step is intended to increase the hardness of the valve 14 and to minimize the coefficient of friction of the valve seat 22 on the valve seat 24.
  • the surface nitrogen input forms, in the material constituting the valve 14, a nitrided peripheral layer, which comprises a so-called combination layer and a so-called diffusion layer.
  • the nitrided layer has a determined thickness, particularly at the valve seat 22.
  • the thickness of the nitrided layer at the valve seat 22 be at least 5 microns in the new state of the valve 14.
  • the minimum surface hardness of the valve seat is 700 HV.
  • the nitriding step is followed by a so-called finishing step aimed at improving the surface state of the valve seat 22, while maintaining a nitrided layer of sufficient thickness to minimize the coefficient friction of the bearing surface 22 on the seat 24.
  • the finishing step here consists of clipping the surface of the valve seat 22, in particular by removing the oxide peaks.
  • the finishing step is performed by a technique of surface treatment known as tribofinishing.
  • a tribofinishing technique uses friction and vibration energy for the surface finish by abrasion, which allows obtaining very fine roughness profiles.
  • This abrasion treatment technique is implemented using a tribofinishing machine (not shown) for placing the valve 14 in a chamber with a mineral filler, such as friction cones or balls, The enclosure then undergoes a series of stirring movements so as to achieve a surface abrasion of the surface of the range of the valve 22 by the mineral filler.
  • a tribofinishing machine not shown for placing the valve 14 in a chamber with a mineral filler, such as friction cones or balls.
  • the finishing step is carried out so as to recover a surface state of the valve surface 22 close to the surface state of the part before nitriding.
  • finishing by tribofinishing has the advantage of being independent of the geometry of the part, which facilitates its implementation in the case of the valve 14.
  • valve seat 22 in its final state is obtained directly after the finishing step, without it being necessary to resort to machining as in the method according to the state of the art.
  • the span 22 in particular the span 22 of the exhaust valve 14, is subjected to the very high temperatures reached by the combustion gases, it is found that the nitrided layer of the valve seat 22 does not deteriorate. Indeed, despite a core temperature of the valve 14 very high, the valve seat 22 cools by contact with the valve seat 24.
  • the method according to the invention makes it possible to increase the surface hardness of the valve seat 22 and to reduce its coefficient of friction against the valve seat 24.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to obtain a valve seat 22 whose nitrided layer has a minimum thickness of 5 microns.
  • the method according to the invention is carried out in such a way as to obtain a nitrided layer, at the level of the valve seat 22, of approximately 20 micrometers, which makes it possible to further improve the hardness of the valve seat. 22, and further reduce its coefficient of friction against the valve seat 24.
  • the method according to the invention also reduces wear by 50% compared to valves made according to the state of the art.
  • the invention ensures good sealing and control wear of the valve seat / valve seat contact throughout the life of the engine.
  • valve 14 obtained by the process according to the invention is particularly suitable for use in an engine operating with an alcoholic fuel, or with a fuel type LPG (Liquefied Petroleum Gas), or with a fuel gaseous such as CNG (Natural Gas Vehicle), CNG (Compressed Natural Gas), or GNA (Natural Gas Adsorbed).
  • a fuel gaseous such as CNG (Natural Gas Vehicle), CNG (Compressed Natural Gas), or GNA (Natural Gas Adsorbed).

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une soupape de moteur à combustion interne.
  • La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de traitement d'une soupape de moteur à combustion interne comportant une étape de nitruration de manière à former sur celle-ci une couche périphérique de matériau nitrurée.
  • Les déplacements de la soupape et sa venue en contact répétée, par sa portée, avec le siège de soupape associé, est susceptible de provoquer une usure rapide de la portée de soupape et du siège, en particulier lorsque le carburant utilisé dans le moteur est peu ou pas lubrifiant.
  • On connaît déjà plusieurs solutions pour limiter cette usure.
  • On peut réaliser les sièges de soupape en acier fritté comportant un taux élevé de cobalt et de molybdène.
  • On peut imprégner les porosités du siège de soupape avec un matériau lubrifiant non miscible avec l'acier à l'état liquide tel que du plomb.
  • On peut blinder la portée de soupape par un procédé de stellitage déposé par torche ou "Plasma Transfert Arc". Les types de Stellite couramment employés sont les suivants : Stellite 12 (base Cobalt), Stellite grade F (base Cobalt) et Stellite base Fer.
  • On peut durcir les portées de soupape par traitement thermique lorsque la tête de soupape est réalisée en acier martensitique.
  • On peut aussi combiner les différentes solutions mentionnées ci-dessus.
  • Ces différentes solutions ne limitent pas l'usure de manière suffisamment efficace pour garantir la fiabilité de fonctionnement de la soupape pendant toute la durée de vie du moteur.
  • L'invention vise donc à limiter plus efficacement l'usure adhésive et abrasive entre le siège de soupape et la portée de soupape associée.
  • Dans ce but, l'invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'étape de nitruration est suivie d'une étape de finition visant à améliorer l'état de surface de la soupape au niveau de sa portée contre le siège de soupape, en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour résister aux températures de combustion du moteur.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
    • l'étape de finition consiste à écrêter la surface de la portée de soupape, notamment en enlevant les pics d'oxyde ;
    • l'étape de finition est réalisée par une technique dite de tribofinition, au cours de laquelle la soupape est placée dans une enceinte avec une charge minérale, l'enceinte subissant une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une abrasion superficielle de la surface de la portée de soupape par la charge minérale ;
    • la portée de soupape dans son état final est obtenue directement après l'étape de finition, sans recourir à un usinage ;
  • L'invention propose aussi une soupape de moteur à combustion qui est obtenu par le procédé selon l'une des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau traitée par nitruration, au niveau de la portée, après l'étape de finition, est supérieure ou égale à cinq micromètres.
  • Selon d'autres caractéristiques de la soupape :
    • l'épaisseur totale de la couche de matériau traitée par nitruration est sensiblement égale à vingt micromètres.
    • la soupape est utilisée dans un moteur prévu pour fonctionner avec un carburant gazeux.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique qui représente une soupape d'échappement de moteur à combustion interne.
  • On a représenté sur la figure unique une portion de culasse 10 de moteur à combustion interne.
  • La culasse 10 comporte un conduit d'échappement 12 qui permet de faire communiquer la chambre de combustion du moteur avec le collecteur d'échappement (non représenté) du moteur.
  • Le conduit d'échappement 12 est susceptible d'être obturé par une soupape d'échappement 14 qui est guidée axialement dans un guide de soupape 16 agencé dans la culasse 10 du moteur.
  • La soupape 14 est montée mobile suivant son axe de déplacement, qui est ici vertical.
  • La soupape 14 comporte une tige de soupape 18 et une tête de soupape 20 qui obture le conduit d'échappement 12 lorsque la soupape 14 occupe sa position fermée.
  • La tête de soupape 20 comporte une portée 22 sensiblement tronconique qui est prévue pour venir en appui axial contre un siège de soupape 24 complémentaire agencé dans la culasse 10, lorsque la soupape 14 occupe sa position fermée.
  • Le siège 24 est ici rapporté dans le conduit d'échappement 12.
  • Bien entendu, l'invention s'applique aussi bien à une soupape d'admission qu'à la soupape d'échappement 14.
  • On décrira maintenant le procédé de fabrication de la soupape 14, conformément aux enseignements de l'invention.
  • La forme générale de la soupape 14 est obtenue par des étapes classiques de fabrication faisant appel, par exemple, au forgeage et à l'usinage.
  • Le procédé de fabrication de la soupape 14 comporte ensuite des étapes qui permettent de donner à la soupape 14 sa forme définitive, avant son montage dans le moteur.
  • De manière classique, le procédé comporte une étape dite de nitruration, au cours de laquelle la soupape est traitée par enrichissement en azote.
  • L'étape de nitruration vise à augmenter la dureté de la soupape 14 et à minimiser le coefficient de frottement de la portée de soupape 22 sur le siège de soupape 24.
  • Au cours de la nitruration, l'apport superficiel d'azote forme, dans le matériau constituant la soupape 14, une couche périphérique nitrurée, qui comporte une couche dite de combinaison et une couche dite de diffusion. La couche nitrurée a une épaisseur déterminée, en particulier au niveau de la portée de soupape 22.
  • Pour que le traitement de nitruration soit efficace, il est nécessaire que l'épaisseur de la couche nitrurée au niveau de la portée de soupape 22 soit, à l'état neuf de la soupape 14, d'au moins 5 micromètres. La dureté superficielle minimale de la portée de soupape est alors de 700 HV.
  • Conformément aux enseignements de l'invention, l'étape de nitruration est suivie d'une étape dite de finition visant à améliorer l'état de surface de la portée de soupape 22, en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour minimiser le coefficient de frottement de la portée 22 sur le siège 24.
  • L'étape de finition consiste ici à écrêter la surface de la portée de soupape 22, notamment en enlevant les pics d'oxyde.
  • L'étape de finition est réalisée par une technique de traitement de surface dite de tribofinition.
  • Une technique de tribofinition utilise l'énergie du frottement et de la vibration pour le fini de surface par abrasion, ce qui permet l'obtention de profils de rugosité très fine.
  • Cette technique de traitement par abrasion est mise en oeuvre à l'aide d'une machine de tribofinition (non représentée) permettant de placer la soupape 14 dans une enceinte avec une charge minérale, telle que des cônes de frictions ou des billes, L'enceinte subit alors une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une abrasion superficielle de la surface de la portée de la soupape 22 par la charge minérale.
  • L'étape de finition est mise en oeuvre de manière retrouver un état de surface de la portée de soupape 22 proche de l'état de surface de la pièce avant nitruration.
  • La finition par tribofinition présente l'avantage d'être indépendante de la géométrie de la pièce, ce qui faciliter sa mise en oeuvre dans le cas de la soupape 14.
  • Avantageusement, la portée de soupape 22 dans son état final est obtenue directement après l'étape de finition, sans qu'il ne soit nécessaire de recourir à un usinage comme dans le procédé selon l'état de la technique.
  • Il n'est donc pas nécessaire de rectifier les portées de soupape 22 par usinage après la nitruration, ce qui permet de conserver une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour minimiser le coefficient de frottement de la portée 22 sur son siège 24.
  • Bien que la portée 22, en particulier la portée 22 de la soupape d'échappement 14, soit soumise aux très hautes températures atteintes par les gaz de combustion, on constate que la couche nitrurée de la portée de soupape 22 ne s'altère pas. En effet, malgré une température à coeur de la soupape 14 très élevée, la portée de soupape 22 se refroidit par son contact avec le siège de soupape 24.
  • Le procédé selon l'invention permet d'augmenter la dureté superficielle de la portée de soupape 22 et de diminuer son coefficient de frottement contre le siège de soupape 24.
  • Ces caractéristiques sont obtenues grâce à la conservation d'une couche nitrurée d'épaisseur minimale, alors qu'auparavant, dans le procédé selon l'état de la technique, l'étape d'usinage effectuée après la nitruration retirait la majorité de l'épaisseur de matériau nitrurée.
  • Le procédé de fabrication selon l'invention permet d'obtenir une portée de soupape 22 dont la couche nitrurée a une épaisseur minimale de 5 micromètres.
  • De préférence, on met en oeuvre le procédé selon l'invention de manière à obtenir une couche nitrurée, au niveau de la portée de soupape 22, d'environ 20 micromètres, ce qui permet d'améliorer encore la dureté de la portée de soupape 22, et de diminuer encore son coefficient de frottement contre le siège de soupape 24.
  • Le procédé selon l'invention permet aussi de réduire l'usure de 50% par rapport aux soupapes réalisées selon l'état de la technique.
  • On note que le procédé selon l'invention est combinable avec les solutions connues pour limiter l'usure du contact siège de soupape/portée de soupape.
  • L'invention permet de garantir la bonne étanchéité et de maîtriser l'usure du contact siège de soupape/portée de soupape, pendant toute la durée de vie du moteur.
  • Grâce à ces caractéristiques, la soupape 14 obtenue par le procédé selon l'invention est particulièrement adaptée à une utilisation dans un moteur fonctionnant avec un carburant alcoolisé, ou avec un carburant de type GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), ou encore avec un carburant gazeux tel que du GNV (Gaz Naturel Véhicule), du GNC (Gaz Naturel Compressé), ou du GNA (Gaz Naturel Adsorbé).

Claims (4)

  1. Procédé de traitement d'une soupape (14) de moteur à combustion interne, comportant une étape de nitruration de manière à former sur celle-ci une couche périphérique de matériau nitrurée, ladite étape de nitruration étant suivie d'une étape de finition visant à améliorer l'état de surface de la soupape (14) au niveau de sa portée (22) contre le siège de soupape (24), en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour résister aux températures de combustion du moteur, caractérisé en ce que ladite étape de finition est réalisée par une technique dite de tribofinition, au cours de laquelle la soupape (14) est placée dans une enceinte avec une charge minérale, notamment des cônes de frictions ou des billes, l'enceinte subissant une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une abrasion superficielle de la surface de la portée de soupape (22) par la charge minérale directement après l'étape de finition, sans recourir à un usinage.
  2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de finition consiste à écrêter la surface de la portée de soupape (22), notamment en enlevant les pics d'oxyde.
  3. Soupape (14) de moteur à combustion interne qui est obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur totale de la couche de matériau traitée par nitruration, au niveau de la portée (22), après l'étape de finition, est sensiblement égale à vingt micromètres.
  4. Soupape (14) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est utilisée dans un moteur prévu pour fonctionner avec un carburant gazeux.
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