FR2685923A1 - THERMAL SPRAY COATING PROCESS FOR PISTON RINGS. - Google Patents

THERMAL SPRAY COATING PROCESS FOR PISTON RINGS. Download PDF

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Abstract

Procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui comprend la phase initiale consistant à ancrer une pluralité de segments (1) sur une structure de base (2), pour les empêcher de se déplacer les unes par rapport aux autres, de manière que leurs faces de contact externes forment une surface cylindrique, et comprenant en outre la phase consistant à pulvériser, de manière progressive et continue, par un courant gazeux forcé et sur la surface cylindrique de la structure de base (2), une masse de gouttelettes qui sont portées à fusion par un chalumeau oxyacétylénique, à partir d'au moins un fil d'alimentation en molybdène (4), et d'au moins un fil d'alimentation (4) d'un matériau de liaison métallurgique plus tendre, la masse de gouttelettes consistant en 30 à 60% environ de molybdène, le reste étant un matériau de liaison.A method of thermal spray coating for piston rings, which comprises the initial phase of anchoring a plurality of rings (1) on a base structure (2), to prevent them from moving relative to each other, so that their external contact faces form a cylindrical surface, and further comprising the phase consisting in spraying, in a progressive and continuous manner, by a forced gas stream and on the cylindrical surface of the basic structure (2), a mass of droplets which are brought to fusion by an oxyacetylene torch, from at least one molybdenum supply wire (4), and at least one supply wire (4) of a softer metallurgical bonding material, the mass of droplets consisting of approximately 30 to 60% molybdenum, the remainder being a bonding material.

Description

PROCEDE DE REVETEMENT PAR PULVERISATION THERMIQUETHERMAL SPRAY COATING PROCESS

POUR SEGMENTS DE PISTONFOR PISTON RINGS

La présente invention concerne un procédé de revête-  The present invention relates to a coating process.

ment par pulvérisation thermique pour segments de piston, qui utilise différents matériaux, est d'un faible coût et  by thermal spraying for piston rings, which uses different materials, is of low cost and

garde inaltérables les propriétés moyennes de revêtement.  keeps the average coating properties unchanged.

Un procédé de revêtement par pulvérisation thermique  A thermal spray coating process

pour segments de piston connu utilise des fils d'alimenta-  for known piston rings uses supply wires

tion en molybdène pur à 99,9 % qui sont fondus par des cha-  99.9% pure molybdenum which is melted by cha-

lumeaux respectifs à l'oxygène et à l'acétylène Dans ce  respective lumens of oxygen and acetylene In this

procédé, des gouttelettes de molybdène fondu sont pulvéri-  process, molten molybdenum droplets are sprayed

sées contre la face de contact externe des segments de pis-  seated against the external contact face of the piston rings

ton, ladite face étant à une température relativement fai-  tone, said face being at a relatively low temperature

ble par comparaison avec la température des gouttelettes  ble by comparison with the droplet temperature

atteignant ladite face de contact externe, de l'air compri-  reaching said external contact face, compressed air

mé étant employé comme propulseur L'adhérence entre les  me being used as a propellant The adhesion between

gouttelettes et la face de contact externe est obtenue mé-  droplets and the external contact face is obtained

caniquement, par la solidification desdites gouttelettes sur ladite face de contact externe rugueuse, étant donné la  canonically, by the solidification of said droplets on said rough external contact face, given the

forte tension de contraction durant la solidification.  strong contraction tension during solidification.

Outre le coût élevé de ce procédé, qui n'utilise que  Besides the high cost of this process, which only uses

du molybdène, la couche de revêtement obtenue s'avère fra-  molybdenum, the coating layer obtained turns out to be

gile, parce que le soudage de couches de revêtement suc-  gile, because the welding of coating layers suc-

cessives se fait via des interfaces riches en oxydes Cette  cessive is done via interfaces rich in oxides This

fragilité a pour effet que le revêtement risque de se fis-  fragility has the effect that the coating may crack

surer et de s'écailler lorsque le segment de piston est  surer and flake when the piston ring is

soumis à des contraintes mécaniques L'intégrité du revête-  subject to mechanical stress The integrity of the coating

ment au molybdène est atteinte par les températures de fonctionnement élevées dudit segment de piston près de la  molybdenum is reached by the high operating temperatures of said piston ring near the

chambre de combustion, principalement en raison de la dif-  combustion chamber, mainly due to the diff-

férence substantielle de coefficient de dilatation thermi-  substantial reference of coefficient of thermal expansion

que entre le molybdène et le métal de base de l'alliage de  that between molybdenum and the base metal of the alloy

fer, provoquent lesdites fissures lors de contraintes.  iron, cause said cracks during stresses.

En outre, le procédé de revêtement par pulvérisation utilisant des fils manque de souplesse d'utilisation quant  In addition, the spray coating process using yarns lacks flexibility in use.

à la combinaison de différents matériaux.  to the combination of different materials.

Un autre procédé connu utilise la pulvérisation de poudre, qui permet l'association de matériaux, mais est  Another known method uses powder spraying, which allows the association of materials, but is

d'un coût très élevé, principalement dans le cas d'une pul-  very high cost, mainly in the case of a pulp

vérisation au moyen d'un arc de plasma.  verification by means of a plasma arc.

Ainsi, la présente invention a pour objectif de propo-  Thus, the present invention aims to propose

ser un procédé de revêtement par pulvérisation thermique  ser a thermal spray coating process

pour segments de piston, qui produit un revêtement qui ré-  for piston rings, which produces a coating which

siste au fissurage et à l'écaillement lorsqu'il est soumis à de fortes contraintes mécaniques, et qui est d'un faible coût.  resists cracking and chipping when subjected to high mechanical stress, and which is of low cost.

La présente invention a pour autre objectif de propo-  Another object of the present invention is to provide

ser un procédé de revêtement par pulvérisation thermique  ser a thermal spray coating process

pour segments de piston, qui présente une plus grande sou-  for piston rings, which has greater

plesse d'utilisation quant à la combinaison de différents  flexibility in the use of different combinations

matériaux, ce qui permet de combiner des propriétés dif-  materials, which makes it possible to combine different properties

férentes.férentes.

Ces objectifs sont atteints par un procédé de revête-  These objectives are achieved by a coating process.

ment par pulvérisation thermique pour segments de piston,  thermal spraying for piston rings,

qui comprend la phase initiale consistant à ancrer une plu-  which includes the initial phase of anchoring a

ralité de segments de piston sur une structure de base pour les empêcher de se déplacer les uns par rapport aux autres, de manière que leurs faces de contact externes forment une surface cylindrique, et une phase complémentaire consistant à pulvériser, de manière progressive et continue, par un  reality of piston rings on a basic structure to prevent them from moving relative to each other, so that their external contact faces form a cylindrical surface, and a complementary phase consisting in spraying, in a progressive and continuous manner, by a

courant gazeux forcé, et sur toute l'étendue de ladite sur-  forced gas stream, and over the full extent of said sur-

face cylindrique, une masse de gouttelettes, qui sont por-  cylindrical face, a mass of droplets, which are

tées à fusion par un chalumeau oxyacétylénique, à partir d'au moins un fil d'alimentation en molybdène, et à partir d'au moins un fil d'alimentation en un matériau de liaison  fusion tees by an oxyacetylene torch, from at least one molybdenum supply wire, and from at least one supply material of a bonding material

métallurgique plus tendre, la masse de gouttelettes consis-  softer metallurgical, the mass of droplets

tant en 30 à 60 % environ de molybdène, le restant étant un matériau de liaison, ladite pulvérisation étant réalisée de manière à revêtir intégralement la surface cylindrique avec  both 30 and 60% molybdenum, the remainder being a bonding material, said spraying being carried out so as to completely coat the cylindrical surface with

la masse de gouttelettes en au moins une couche.  the mass of droplets in at least one layer.

La présente invention va à présent être décrite, rela-  The present invention will now be described, rela-

tivement aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale par-  tively to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a view in longitudinal section through

tielle d'un piston opérant dans un cylindre et doté de seg-  tial of a piston operating in a cylinder and provided with seg-

ments de piston, la pression des gaz étant indiquée par la flèche; et un détail à plus grande échelle d'un desdits segments de piston, mettant en relief le revêtement de sa face de contact externe; La figure 2 illustre, schématiquement, les segments de  piston elements, the gas pressure being indicated by the arrow; and a detail on a larger scale of one of said piston rings, highlighting the coating of its external contact face; Figure 2 schematically illustrates the segments of

piston étant aspergés au moyen de fils d'alimentation, se-  piston being sprinkled by means of supply wires,

lon la présente invention; et La figure 3 est une vue en coupe transversale à plus grande échelle d'une partie d'un segment de piston dotée  the present invention; and Figure 3 is an enlarged cross-sectional view of part of a piston ring having

d'un revêtement sur sa face de contact externe.  of a coating on its external contact face.

Selon la présente invention, sont proposés des seg-  According to the present invention, seg-

ments de piston 1, destinés à être montés sur un piston al-  piston elements 1, intended to be mounted on a piston piston

ternatif P et qui fonctionnent, durant la combustion, près  ternative P and which work, during combustion, near

de la paroi interne d'un cylindre C Chaque segment de pis-  of the inner wall of a cylinder C Each segment of pis-

ton 1 présente une face de contact externe la dotée d'un  tone 1 has an external contact face with a

revêtement anti-abrasif et anti-adhésif, qui protège les-  non-abrasive and non-stick coating, which protects

dits segments de piston 1 lorsqu'ils sont soumis à une pression et à une température élevées durant le cycle de  so-called piston rings 1 when they are subjected to high pressure and temperature during the

combustion.combustion.

Dans un mode de réalisation de la présente invention, la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 est d'abord réalisée en usinant ledit segment de piston 1, de manière à former une rainure annulaire superficielle à la portion centrale circulaire dudit segment de piston 1, ladire rainure étant ultérieurement remplie du revêtement, jusqu'à ce que le diamètre de la face de contact externe la  In one embodiment of the present invention, the external contact face 1a of each piston segment 1 is first produced by machining said piston segment 1, so as to form a surface annular groove at the circular central portion of said segment of piston 1, the said groove being subsequently filled with the coating, until the diameter of the external contact face la

du segment de piston 1 soit récupéré.  of piston ring 1 is recovered.

Dans un autre mode de réalisation de la présente in-  In another embodiment of the present in-

vention, la couche de revêtement est disposée extérieure-  vention, the covering layer is arranged outside-

ment sur la face de contact externe la, augmentant ainsi le  lying on the external contact face la, thereby increasing the

diamètre de la pièce dans la zone o le revêtement est ap-  workpiece diameter in the area where the coating is applied

pliqué, jusqu'à ce que soit obtenue une couche de revête-  pleated, until a layer of coating is obtained

ment d'une largeur annulaire suffisante pour obtenir, après usinage final, une épaisseur de revêtement de 2 à 7 % de la largeur annulaire de base du segment.  ment of a sufficient annular width to obtain, after final machining, a coating thickness of 2 to 7% of the base annular width of the segment.

Comme représenté sur la figure 2, une structure de ba-  As shown in Figure 2, a base structure

se 2 supporte et retient, sur sa longueur, en utilisant des moyens de fixation tels que des boulons et des écrous, une pluralité de segments de piston 1, qui sont empêchés de se  supports and retains, along its length, using fixing means such as bolts and nuts, a plurality of piston rings 1, which are prevented from becoming

déplacer les uns par rapport aux autres, et qui sont dispo-  move relative to each other, and which are available

sés de manière à former une surface cylindrique présentant un mouvement rotatif autour d'un arbre de rotation, qui passe par le centre des segments et qui coîncide avec l'axe géométrique de la structure de base 2, et un mouvement de  sés so as to form a cylindrical surface having a rotary movement around a rotation shaft, which passes through the center of the segments and which coincides with the geometric axis of the basic structure 2, and a movement of

translation, vers ledit axe géométrique.  translation, towards said geometric axis.

A une certaine distance de ladite structure de base 2, sont disposés deux siphons de gaz 3, qui sont simultanément alimentés via leur entrée respective a, b, en oxygène et acétylène, de manière à former une flamme de fusion capable de faire fondre les éléments chimiques utilisés dans le présent procédé de pulvérisation Chaque siphon de gaz 3 possède un réglage de flamme, qui est obtenu en faisant varier les proportions d'oxygène et d'acétylène dans la flamme. Outre les gaz qui sont distribués dans les siphons 3, de manière à former la flamme décrite ci-dessus, chaque siphon 3 reçoit, via une troisième et une quatrième entrée c et d, respectivement, des éléments chimiques destinés à être fondus et employés dans le revêtement desdits segments de piston 1, et un volume d'air comprimé qui transporte,  At a certain distance from said base structure 2, two gas siphons 3 are arranged, which are simultaneously supplied via their respective inputs a, b, with oxygen and acetylene, so as to form a fusion flame capable of melting the elements chemicals used in the present spraying process Each gas siphon 3 has a flame setting, which is obtained by varying the proportions of oxygen and acetylene in the flame. In addition to the gases which are distributed in the siphons 3, so as to form the flame described above, each siphon 3 receives, via a third and a fourth inlet c and d, respectively, chemical elements intended to be melted and used in the coating of said piston rings 1, and a volume of compressed air which transports,

via une sortie "s" de chacun desdits siphons 3, les gout-  via an output "s" of each of said siphons 3, the drops

telettes de chaque élément chimique fondu, vers la face de contact externe de la surface cylindrique de la structure  telets of each molten chemical element, towards the external contact face of the cylindrical surface of the structure

de base 2.basic 2.

Dans un mode de réalisation préféré de la présente in-  In a preferred embodiment of the present invention,

vention, le revêtement est obtenu par la pulvérisation thermique simultanée de deux éléments chimiques, qui sont  vention, the coating is obtained by the simultaneous thermal spraying of two chemical elements, which are

différents mais ont la même concentration, et qui se pré-  different but have the same concentration, and which pre-

sentent sous la forme de rouleaux de fils d'alimentation 4,  feel in the form of rolls of feed wires 4,

passant respectivement dans un siphon 3.  passing respectively into a siphon 3.

Dans la solution préférée décrite, un des éléments chimiques utilisé dans le revêtement est du molybdène, qui rend le revêtement anti-abrasif et anti-adhésif, et qui est employé à une pureté de 99,9 % L'autre matériau est de  In the preferred solution described, one of the chemical elements used in the coating is molybdenum, which makes the coating anti-abrasive and non-stick, and which is used at a purity of 99.9%. The other material is

l'acier inoxydable Cet élément, moins dur que le molybdè-  stainless steel This element, less hard than molybdenum-

ne, permet la liaison métallurgique du molybdène à la face  does, allows the metallurgical bonding of molybdenum to the face

de contact externe la des segments de piston 1, et la cohé-  of external contact the piston rings 1, and the cohesion

sion des plusieurs couches de revêtement appliquées sur les couches antérieures Pour chaque fil d'alimentation qui est utilisé, la flamme oxyacétylénique a un réglage spécifique, obtenu car une proportion adéquate d'oxygène et d'acétylène définie en fonction du point de fusion de chaque élément  Several layers of coating applied to the previous layers For each feed wire that is used, the oxyacetylene flame has a specific setting, obtained because an adequate proportion of oxygen and acetylene defined according to the melting point of each element

pour la composition des fils d'alimentation.  for the composition of the supply wires.

L'acier inoxydable, qui a un point de fusion moins  Stainless steel, which has a lower melting point

élevé, permet une meilleure liaison métallurgique, augnen-  high, allows a better metallurgical bond, augnen-

tant la résistance aux fissures dans le revêtement sous l'effet de contraintes mécaniques, améliorant son adhérence  both the resistance to cracks in the coating under the effect of mechanical stresses, improving its adhesion

au métal de base du segment de piston 1, ainsi que la cohé-  to the base metal of the piston ring 1, as well as the cohesion

sion des particules pulvérisées.dust particles.

L'adhérence du revêtement au métal de base est princi-  The adhesion of the coating to the base metal is mainly

palement métallurgique Dans cette adhérence, les gout-  metallurgical properties In this adhesion, the tastes

telettes de molybdène, lorsqu'elles sont pulvérisées sur la face de contact externe des segments de piston, atteignent cette surface, qui est à une température moins élevée, se solidifiant alors dans une condition d'ancrage au métal de  molybdenum pellets, when sprayed on the external contact face of the piston rings, reach this surface, which is at a lower temperature, then solidifying in an anchoring condition to the metal of

base auparavant rendu rugueux.base previously roughened.

Selon la présente invention, le revêtement est obtenu  According to the present invention, the coating is obtained

en utilisant un alliage, étant dans ce cas un alliage mé-  using an alloy, in this case being a metall alloy

tallurgique chimique de molybdène et d'acier inoxydable, de manière à permettre une meilleure adhérence du molybdène à  metallurgical chemical molybdenum and stainless steel, so as to allow better adhesion of molybdenum to

la face de contact externe la des segments de piston, ga-  the external contact face la of the piston rings,

rantissant ainsi sa résistance aux fissures et ruptures  thus guaranteeing its resistance to cracks and breaks

durant les températures de fonctionnement élevées auxquel-  during high operating temperatures at which

les les segments de piston 1 sont soumis près de la chambre  the piston rings 1 are submitted near the chamber

de combustion.combustion.

La pulvérisation a lieu sans interruption durant un nombre déterminé de cycles de mouvements de la structure de base 2, jusqu'à ce que la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 de ladite structure de base 2 présente une couche de revêtement homogène et continue du  The spraying takes place without interruption during a determined number of cycles of movements of the base structure 2, until the external contact face la of each piston segment 1 of said base structure 2 has a homogeneous coating layer and continues from

mélange molybdène/acier inoxydable avec une largeur an-  molybdenum / stainless steel mixture with an an-

nulaire telle que mentionnée précédemment.  as previously mentioned.

Dans la présente solution, le revêtement est obtenu  In the present solution, the coating is obtained

par pulvérisation simultanée de molybdène et d'acier inoxy-  by simultaneous spraying of molybdenum and stainless steel-

dable, en tenant compte des points qui sont déplacés longi-  dable, taking into account the points that are moved longi-

tudinalement sur toute l'étendue de la structure de base 2, de manière à former, sur la surface cylindrique de ladite structure de base 2, des trajets hélicoïdaux résultant des  tudinally over the entire extent of the base structure 2, so as to form, on the cylindrical surface of said base structure 2, helical paths resulting from the

mouvements de rotation et de translation de ladite structu-  rotational and translational movements of said structure

re de base 2, relativement aux siphons de gaz 3, et, par conséquent, relativement à la masse de gouttelettes qui  basic re 2, relative to gas siphons 3, and therefore relative to the mass of droplets which

sont fondues par pulvérisation.are melted by spraying.

L'acier inoxydable, garantit non seulement l'adhérence du molybdène au métal de base de la face de contact externe la de chaque segment de piston 1, mais permet la liaison  Stainless steel not only guarantees the adhesion of molybdenum to the base metal of the external contact face la of each piston ring 1, but also allows the bonding

des gouttelettes de molybdène les unes aux autres.  molybdenum droplets to each other.

Chaque rouleau de fil d'alimentation 4 a sa propre vi-  Each roll of feed wire 4 has its own screw

tesse de distribution pour son siphon 3 respectif, définie selon la concentration requise pour le mélange de chaque  distribution size for its respective siphon 3, defined according to the concentration required for mixing each

élément chimique utilisé dans le revêtement.  chemical element used in the coating.

En outre, la vitesse de rotation de la structure de base 2 reste proportionnelle à la vitesse de rotation des rouleaux de fil d'alimentation 4 alimentant les siphons de gaz 3, qui est définie selon le nombre de couches et la largeur annulaire de chaque couche de revêtement destinée à adhérer métallurgiquement à la face de contact externe la de chaque segment de piston 1 Le module de ladite vitesse  In addition, the speed of rotation of the basic structure 2 remains proportional to the speed of rotation of the supply wire rollers 4 supplying the gas siphons 3, which is defined according to the number of layers and the annular width of each layer. coating intended to adhere metallurgically to the external contact face la of each piston ring 1 The modulus of said speed

de rotation de la structure de base 2, relativement au mo-  of rotation of the basic structure 2, relative to the mo-

dule de la vitesse de rotation de chaque rouleau de fil  dule of the rotation speed of each wire roll

d'alimentation 4 peut être, par exemple, nul.  supply 4 can be, for example, zero.

Une fois que la pulvérisation de l'alliage molybdène/ acier inoxydable sur la surface cylindrique est terminée,  Once spraying of the molybdenum / stainless steel alloy on the cylindrical surface is complete,

chaque segment de piston 1 est soumis à un usinage à sa fa-  each piston ring 1 is subjected to machining at its

ce de contact externe la, de manière à achever son profil  that of external contact, so as to complete his profile

de travail.of work.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1 Procédé de revêtement par pulvérisation thermique pour  1 Thermal spray coating process for segments de piston, qui comprend la phase ini tiale consis-  piston rings, which includes the initial phase consisting tant à ancrer une pluralité de sécrnments ( 1) sur une structure de base ( 2), pour les empêcher de se déplacer les unes par rapport aux autres, de manière que leurs faces de  both to anchor a plurality of secrnments (1) on a base structure (2), to prevent them from moving relative to each other, so that their faces contact externes (la) forment une surface cylindrique, ca-  external contacts (la) form a cylindrical surface, ractérisé en ce qu'il comprend en outre la phase consistant à pulvériser, de manière progressive et continue, par un  characterized in that it further comprises the phase consisting in spraying, gradually and continuously, by a courant gazeux forcé et sur toute l'étendue de ladite sur-  forced gas current and over the entire extent of said over- face cylindrique de la structure de base ( 2), une masse de gouttelettes qui sont portées à fusion par un chalumeau oxyacétylénique, à partir d'au moins un fil d'alimentation  cylindrical face of the basic structure (2), a mass of droplets which are brought to fusion by an oxyacetylene torch, from at least one supply wire en molybdène ( 4), et à partir d'au moins un fil d'alimenta-  made of molybdenum (4), and from at least one supply wire tion ( 4) en un matériau de liaison métallurgique plus ten-  tion (4) of a more tensile metallurgical bonding material dre, la masse de gouttelettes consistant en 30 à 60 % envi-  dre, the mass of droplets consisting of about 30 to 60% ron de molybdène, le restant étant un matériau de liaison, ladite pulvérisation étant réalisée de manière à revêtir intégralement ladite surface cylindrique avec la masse de  molybdenum, the remainder being a bonding material, said spraying being carried out so as to completely coat said cylindrical surface with the mass of gouttelettes en au moins une couche, ladite surface cylin-  droplets in at least one layer, said cylindrical surface drique étant soumise, durant la pulvérisation, à un mouve-  drique being subjected, during spraying, to a movement ment de rotation autour de son axe géométrique, simultané-  rotation around its geometric axis, simultaneously ment avec un mouvement de translation autour dudit axe géo-  with a translational movement around said geo-axis métrique, de manière à produire des déplacements hélicoï-  metric, so as to produce helical displacements daux de points de pulvérisation sur toute l'étendue de la  dale of spray points over the entire extent of the surface cylindrique.cylindrical surface. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le maté-  2 The method of claim 1, wherein the material riau de liaison métallurgique est de l'acier inoxydable.  metallurgical bonding line is stainless steel. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse de gouttelettes consiste en parts sensiblement égales de  3 The method of claim 1, wherein the mass of droplets consists of substantially equal parts of molybdène et d'acier inoxydable.molybdenum and stainless steel. 4 Procédé selon la revendication 3, dans lequel le revê-  4 The method of claim 3, wherein the coating tement de la face de contact externe desdits segments de piston ( 1) présente une épaisseur finale finie, de 2 à 7 %  The external contact face of said piston rings (1) has a finished final thickness of 2 to 7%. de la largeur annulaire du segment.of the annular width of the segment.
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