EP1745205A2 - Procede pour revetir d'un film lubrifiant sec une surface - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé pour revêtir une surface, notamment une jupe (7a, 7b) de piston (1) d'un moteur à combustion interne, d'un film (3) lubrifiant sec à haute résistance mécanique et à faible coefficient de frottement, destiné à réduire les frottements entre la jupe (7a, 7b) du piston (1) et le cylindre. Selon l'invention ce procédé consiste à : - Enduire la surface (7a, 7b) d'une pâte réalisée dans un solvant aqueux et comportant un polymère à faible coefficient de frottement ainsi qu'éventuellement des composés non organiques, - Chauffer ledit film (3) à une température T pendant une durée t, de manière à ce que ledit film (3) admette une structure amorphe.

Description

PROCEDE POUR REVETIR D'UN FILM LUBRIFIANT SEC UNE SURFACE La présente invention a pour objet un procédé pour revêtir une surface , notamment une jupe de piston d'un moteur à combustion interne, d'un film lubrifiant sec à haute résistance mécanique et à faible coefficient de frottement. Le but de l'invention est principalement de réduire les frottements entre la jupe du piston et le cylindre. Il est en effet connu que les jupes de piston ont pour fonction principale d'assurer le guidage du piston dans le cylindre en évitant tout risque de grippage, la partie supérieure du piston étant composée de porte-segments qui assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion et la partie inférieure du moteur. Les frottements entre la jupe et le cylindre qui en résultent sont dès lors sources de bruit, de perte d'énergie et d'endommagement des surfaces. Afin de remédier à ces inconvénients, plusieurs solutions ont été envisagées. L'introduction d'un jeu de plusieurs microns entre la jupe et le cylindre accompagné d'un lubrifiant tel que de l'huile permet en effet d'éviter les problèmes de grippage mais crée une consommation d'huile importante. D'autres solutions consistant à revêtir la jupe d'un revêtement résistant au grippage et doté d'un faible coefficient de frottement semblent avoir été la piste privilégiée des constructeurs automobiles et des équipementiers. Ainsi, la demande de brevet EP0380415 décrit un revêtement composite, à base d'une résine de la famille des polymères sulfoniques, qui est fixé à la jupe du piston par vissage, frettage ou collage. Cette invention présente l'inconvénient d'ajouter une étape d'assemblage entre la jupe de piston et le revêtement très contraignante en terme de fabrication et de tenue mécanique. De même, le brevet FR2808461 propose un procédé de dépôt de polyaryiethercetone pur par projection thermique pur sur la jupe de piston, mais celui-ci présente l'inconvénient d'être contraignant en terme d'équipements, puisqu'il nécessite l'emploi de torches de projection. Enfin, le brevet EP0614416 propose une solution qui consiste à enduire par tampon de transfert la jupe de piston d'une pâte comportant un lubrifiant sec humidifié puis à sécher la pâte. Le lubrifiant sec est composé d'un polymère fluoré ou de graphite ou de bisulfure de molybdène mélangé à un liant et à un solvant organique très volatile tel que l'acétone. Ce procédé présente l'avantage d'être simple de mise en œuvre, puisqu'il repose essentiellement sur l'étape d'enduction par tampon de transfert, mais présente l'inconvénient d'utiliser un solvant organique très volatile, qui nécessite l'emploi d'accessoires de dépollution lourds à gérer dans une chaîne de production. De plus, si les polymères fluorés, le graphite et le bisulfure de molybdène confèrent au revêtement un bon coefficient de frottement, ils ne donnent pas pour autant satisfaction en terme de résistance mécanique. C'est pourquoi, le but de la présente invention est de proposer un procédé pour revêtir une surface, notamment une jupe de piston d'un moteur à combustion interne, d'un film lubrifiant sec à haute résistance mécanique et à faible coefficient de frottement palliant tout ou partie des inconvénients relevés dans l'art antérieur détaillé ci-avant. Ce but est atteint par le fait que ledit procédé consiste à : - Enduire la surface d'une pâte réalisée dans un solvant aqueux et comportant un polymère à faible coefficient de frottement, - Chauffer ledit film à une température T pendant une durée t, de manière à ce que ledit film admette une structure amorphe,

Selon d'autres caractéristiques : L'étape d'enduction de la surface par la pâte peut être suivie par une étape de séchage de ladite pâte de manière à obtenir un film lubrifiant sec. L'étape de chauffage dudit film peut être suivie par une étape de refroidissement dudit film de manière à ce que ledit film conserve en grande partie sa structure amorphe Ledit polymère à faible coefficient de frottement est de préférence un polyaryiethercetone. Selon un mode préféré de l'invention, ladite pâte peut être réalisée à partir d'un mélange composé d'eau, d'un liant dans les proportions de 2 à 5 % en masse, d'un dispersant dans les proportions de 1 à 3 % en masse, d'un agent anti-moussage dans les proportions de 5 à 30 ppm, auquel est ajouté le polymère à faible coefficient de frottement dans les proportions de 60 à 80 % en masse. Ladite pâte peut comporter en outre des composés non organiques à propriété lubrifiante, et de préférence dans des proportions inférieures à 10 % en masse. Lesdits composés non organiques sont un ou plusieurs des composés suivants : des bisulfures de molybdène, du carbone, des nanotubes de carbone, des carbures de silicium ou bien du graphite.

Selon d'autres caractéristiques : L'étape d'enduction de la surface par ladite pâte peut être précédée d'une étape de préparation de la surface qui comporte au moins une première étape de nettoyage de ladite surface au moyen d'un solvant ou d'une lessive. La température T est comprise de préférence entre 350°C et 450°C. La durée t est comprise de préférence entre 5 s et 15 s. Un autre but de l'invention est de proposer deux jupes de piston de moteur à combustion interne revêtue d'un film lubrifiant sec suivant le procédé décrit ci-avant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et qui est rédigée à titre d'exemple non limitatif, et à l'unique figure annexée qui représente la partie supérieure d'un piston 1 de moteur à combustion interne comportant deux jupes 7a, 7b revêtues d'un film lubrifiant sec 3 conformément à l'invention. Préalablement au dépôt du film 3 sur les jupes 7a, 7b, la surface extérieure du piston 1 est nettoyée au moyen d'une lessive ou d'un solvant afin d'éliminer les impuretés ainsi qu'un éventuel revêtement protecteur appliqué pour protéger le piston 1 lors de son transport. Afin d'augmenter la rugosité des jupes 7a, 7b, le nettoyage peut être suivi par exemple par une opération de sablage qui consiste à projeter à grande vitesse des grains de silice sur les jupes 7a, 7b de manière à créer de petits impacts qui favorisent l'accrochage du film 3. Toutefois, cette opération est facultative dans la mesure où les jupes 7a, 7b admettent une rugosité de base de 20 microns environ qui permet un accrochage suffisant du film 3 sur lesdites jupes. Selon un premier mode de réalisation, la préparation de la pâte, non représentée sur la figure 1 , est réalisée à partir d'un mélange composé d'eau, d'un liant dans les proportions de 2 à 5 % en masse, d'un dispersant dans les proportions de 1 à 3 % en masse, d'un agent anti- moussage dans les proportions de 5 à 30 ppm, auquel est ajouté un polymère à faible coefficient de frottement dans les proportions de 60 à 80 % en masse. Les proportions en pourcentage en masse se réfèrent à la masse totale de la pâte constituée du mélange eau, liant, dispersant, agent anti-moussage, polymère à faible coefficient de frottement. Le polymère à faible coefficient de frottement est de préférence un polyaryiethercetone commercialisé sous le nom de Poly Ether Ether

Ketone (PEEK ™). Il s'agit d'un polymère semi-cristallin dont la formule de base est la suivante : oxy-1 ,4-phénylène-oxy-1 ,4-phénylène-carbonyle-

1 ,4-phénylène, représentée sur la figure ci-après :

Le polyaryiethercetone est un polymère à faible coefficient de frottement qui confère les propriétés tribologiques au film 3 et qui permet par conséquent de diminuer de manière significative les frottements observés entre les jupes de piston et le cylindre. Plus précisément, par rapport aux résultats obtenus avec des films lubrifiants secs comportant des polymères fluorés, du graphite ou du bisulfure de molybdène, on observe une réduction jusqu'à 20 % des frottements en régime de lubrification hydrodynamique, ce qui autorise un gain de consommation en carburant d'au moins 1%. Il a également été choisi pour sa grande inertie chimique et ses bonnes performances mécaniques notamment à hautes températures. En régime hydrodynamique, il admet en effet une énergie de surface au moins deux fois plus faible que les polymères fluorés, le graphite et le bisulfure de molybdène. Pour l'invention, il est avantageux d'utiliser deux poudres ultra-fines de faible viscosité, soit de granulométrie moyenne de 25μm, soit de granulométrie moyenne 10μm. Concernant le liant, il est avantageux d'employer le RHODOVIOL 25/140 ™ qui est un alcool polyvinylique obtenu par hydrolyse de l'acétate de polyvinyle. Il permet de favoriser l'adhérence de la pâte sur la surface à revêtir. Concernant l'agent anti-moussage, il est avantageux d'employer le

BEVALOID 581 B ™. Il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures aliphatiques et de tensioactifs non ioniques. Il permet d'éviter les phénomènes de moussage qui apparaissent quand on mélange la poudre de PEEK ™ dans l'eau. Concernant le dispersant, il est avantageux d'employer le SINNOPAL OP11 ™. Il s'agit d'un tensioactif non anionique (Octylphénol ethoxyle), qui permet d'éviter la décantation de la poudre de PEEK ™ en solution. Selon un second mode de réalisation, la préparation de la pâte s'effectue suivant les mêmes préconisations que celles décrites dans le premier mode de réalisation, si ce n'est que l'on ajoute un ou plusieurs composés non organiques à propriété lubrifiante dans des proportions inférieures à 10 % en masse. Les proportions en pourcentage en masse se réfèrent à la masse totale de la pâte constituée du mélange eau, liant, dispersant, agent anti-moussage, polymère à faible coefficient de frottement, composés non organiques à propriété lubrifiante. Concernant les composés non organiques à propriété lubrifiante, il est avantageux d'utiliser des bisulfures de molybdène, des nanotubes de carbone, du carbone, des carbures de silicium ou bien du graphite dans des proportions inférieures à 10 % en masse. Ces composés non organiques se présentent sous la forme de poudre admettant une granulométrie moyenne, G, conforme à celle spécifiée dans le tableau ci- après :

La présence dans la pâte d'un ou plusieurs de ces composés non organiques est particulièrement souhaitable, dans la mesure où ils optimisent les propriétés mécaniques en terme de frottement et de résistance à l'usure du film 3. En effet, l'addition de bisulfure de molybdène ou de nanotubes de carbone dans des proportions de 10% en masse, permet de diminuer d'environ 15 % le coefficient de frottement correspondant à un film obtenu selon le premier mode de réalisation de la pâte, c'est à dire avec une pâte réalisée à partir d'un mélange composé d'eau, d'un liant dans les proportions de 2 à 5 % en masse, d'un dispersant dans les proportions de 1 à 3 % en masse, d'un agent anti-moussage dans les proportions de 5 à 30 ppm, et du polyaryiethercetone dans les proportions de 60 à 80 % en masse. De même, l'addition de bisulfures de molybdène, des nanotubes de carbone, du carbone, des carbures de silicium ou bien du graphite dans des proportions de 10% en masse, permet d'augmenter jusqu'à 75% la résistance à l'usure correspondant à un film obtenu selon le premier mode de réalisation de la pâte. Le procédé de dépôt de la pâte sur la jupe 7a, 7b peut être effectué par un procédé du type sérigraphie, qui consiste à faire tourner le piston 1 autour de son axe 2 et à mettre en contact la jupe 7a, 7b avec un tamis, non représenté sur la figure 1 , au travers duquel s'écoule ladite pâte. Avantageusement, et contrairement à un procédé de projection thermique, il n'est pas nécessaire de masquer la zone des gorges 5 du piston 1 prévues pour les segments, pour éviter que la pâte ne s'y dépose. Une fois la jupe 7a, 7b ainsi revêtue, il est avantageux de chauffer le piston 1 à une température d'environ 200 °C afin d'une part de sécher la pâte de manière à obtenir le film lubrifiant sec 3 et afin d'autre part d'éviter les chocs thermiques qui résultent du traitement thermique qui va suivre et qui est localisé au niveau dudit film 3 et non sur toute l'épaisseur de la jupe 7a, 7b. En effet, afin que ledit film 3 admette une structure amorphe, il est nécessaire de le fritter, c'est à dire de le chauffer à une température T pendant une durée t. Le dispositif de chauffage peut utiliser la technologie des lasers YAG ou des lasers au C02 de puissance comprise entre 800 et

5000 Watt. Avantageusement, la température T est comprise entre 350°C et 450°C. Avantageusement, la durée t est comprise entre 5 s et 15 s. De manière à ce que le film 3 conserve en grande partie sa structure amorphe, il faut ensuite procéder à son refroidissement. En utilisant le dispositif de chauffage au laser YAG comme décrit ci-dessus, un simple refroidissement à l'air ambiant permet d'obtenir une structure semi-cristalline. Suivant le procédé décrit précédemment, l'épaisseur du film 3 est de 20 à 100μm. Suivant un mode de frittage alternatif, on peut fritter le film au moyen d'un autre dispositif de chauffage que le laser, tel qu'un dispositif de chauffage par induction. La température T est alors comprise entre 380°C et 450°C et la durée t est réduite à un intervalle de 4 à 8 s. Le refroidissement comporte avantageusement une première trempe à l'air destinée à refroidir la surface de la jupe 7a, 7b jusqu'à une température d'environ 260°C puis une seconde trempe à l'eau, destinée à ramener le film 3 à la température ambiante, tout en lui conservant une structure amorphe.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b) caractérisé en ce qu'il consiste à : a) Enduire la surface (7a, 7b) d'une pâte réalisée dans un solvant aqueux et comportant un polymère à faible coefficient de frottement, b) Chauffer ledit film (3) à une température T pendant une durée t, pour induire une structure amorphe,

2. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape d'enduction de la surface (7a, 7b) par la pâte est suivie par une étape de séchage de ladite pâte de manière à obtenir un film lubrifiant sec (3).

3. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de chauffage du film est suivie par une étape de refroidissement dudit film (3) de manière à ce que ledit film (3) conserve en grande partie sa structure amorphe.

Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère à faible coefficient de frottement est un polyaryiethercetone.

5. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pâte est réalisée à partir d'un mélange composé d'eau, d'un liant dans les proportions de 2 à 5 % en masse, d'un dispersant dans les proportions de 1 à 3 % en masse, d'un agent anti-moussage dans les proportions de 5 à 30 ppm, auquel est ajouté le polymère à faible coefficient de frottement dans les proportions de 60 à 80 % en masse.

6. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pâte comprend de plus des composés non organiques à propriétés lubrifiantes.

7. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pâte comprend des composés non organiques dans des proportions inférieures à 10 % en masse.

8. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconques des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que les composés non organiques sont choisis dans le groupe de composés constitué par les bisulfures de molybdène, le carbone, les nanotubes de carbone, les carbures de silicium, le graphite, et le mélange desdits composés.

9. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'enduction de la surface par ladite pâte est précédée d'une étape de préparation de la surface (7a, 7b) qui comporte au moins une première étape de nettoyage de ladite surface (7a, 7b) au moyen d'un solvant ou d'une lessive,

10. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de préparation de la surface (7a, 7b) comporte une seconde étape permettant d'augmenter la rugosité de ladite surface,

11. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température T est comprise entre 350°C et 450°C,

12. Procédé pour revêtir d'un film lubrifiant sec (3) une surface (7a, 7b), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée t est comprise entre 5 s et 15 s,

13. Jupe (7a, 7b) de piston (1 ) de moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elles sont revêtues d'un film lubrifiant sec (3) suivant le procédé conformément à l'une des revendications précédentes.