FR2870320A1 - Dry lubricant coating procedure for convex surface, especially of an i.c. engine piston, uses paste with low-friction polymer heated and cooled after application - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un procédé pour revêtir une surfaceThe present invention relates to a method for coating a surface
convexe, 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. convex, including a piston skirt of an internal combustion engine, a dry lubricant film with high mechanical strength and low coefficient of friction.
Le but de l'invention est principalement de réduire les frottements entre la jupe du piston et le cylindre. The object of the invention is mainly to reduce the friction between the piston skirt and the cylinder.
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. It is indeed known that the main function of the piston skirts is to ensure the guiding of the piston in the cylinder, avoiding any risk of seizure, the upper part of the piston being composed of segment holders which ensure the seal between the chamber. combustion and the lower part of the engine. The friction between the skirt and the resulting cylinder are therefore sources of noise, energy loss and damage to the 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. In order to overcome these disadvantages, several solutions have been envisaged. The introduction of a set of several microns between the skirt and the cylinder accompanied by a lubricant such as oil makes it possible to avoid seizing problems but creates a significant oil consumption.
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. Other solutions consisting in coating the skirt with a coating resistant to galling and with a low coefficient of friction seem to have been the preferred track of car manufacturers and equipment manufacturers.
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. Thus, the patent application EP0380415 describes a composite coating, based on a resin of the family of sulfonic polymers, which is fixed to the skirt of the piston by screwing, hooping or gluing. This invention has the disadvantage of adding an assembly step between the piston skirt and the very constraining coating in terms of manufacturing and mechanical strength.
De même, le brevet FR2808461 propose un procédé de dépôt de polyaryléthercétone 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. Similarly, the patent FR2808461 proposes a process for depositing pure polyaryletherketone by pure thermal spraying on the piston skirt, but this has the disadvantage of being constraining in terms of equipment, since it requires the use of projection torches.
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 oeuvre, 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. Finally, patent EP0614416 proposes a solution which consists in coating the piston skirt with a pad of a paste comprising a moistened dry lubricant and then drying the paste. The dry lubricant is composed of a fluorinated polymer or graphite or molybdenum disulfide mixed with a binder and a highly volatile organic solvent such as acetone. This method has the advantage of being simple to implement, since it is essentially based on the transfer buffer coating step, but has the disadvantage of using a highly volatile organic solvent, which requires the use of heavy pollution control accessories to manage in a production line.
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. In addition, if fluoropolymers, graphite and molybdenum disulfide give the coating a good coefficient of friction, they do not give as far as satisfaction in terms of mechanical strength.
C'est pourquoi, le but de la présente invention est de proposer un procédé pour revêtir une surface convexe, 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 convexe d'une pâte réalisée dans un solvant aqueux et comportant un polymère à faible coefficient de frottement, - Sécher ladite pâte de manière à obtenir un film lubrifiant sec, - Chauffer ledit film à une température T pendant une durée t, de manière à ce que ledit film admette une structure amorphe, Refroidir ledit film de manière à ce que ledit film conserve en grande partie sa structure amorphe, Selon d'autres caractéristiques: L'étape d'enduction de la surface convexe par ladite pâte peut être précédée d'une étape de préparation de la surface convexe qui comporte au moins une première étape de nettoyage de ladite surface convexe au moyen d'un solvant ou d'une lessive. Therefore, the object of the present invention is to provide a method for coating a convex surface, in particular a piston skirt of an internal combustion engine, a dry film of high mechanical strength and low coefficient of friction. friction overcoming all or part of the disadvantages noted in the prior art detailed above. This object is achieved by the fact that said method consists in: coating the convex surface with a paste made in an aqueous solvent and comprising a polymer with a low coefficient of friction, - drying said paste so as to obtain a dry lubricating film; Heating said film to a temperature T for a time t, so that said film has an amorphous structure, cooling said film so that said film largely retains its amorphous structure, according to other features: step of coating the convex surface with said paste may be preceded by a step of preparing the convex surface which comprises at least a first step of cleaning said convex surface by means of a solvent or a lye.
L'étape de préparation de la surface convexe peut comporter une seconde étape permettant d'augmenter ou de diminuer la rugosité de ladite surface. Celle-ci peut être une opération de sablage ou de rectification. The step of preparing the convex surface may comprise a second step for increasing or decreasing the roughness of said surface. This may be a sanding or grinding operation.
La température T est comprise de préférence entre 350 C et 10 450 C. The temperature T is preferably between 350 ° C. and 450 ° C.
La durée t est comprise de préférence entre 5 s et 15 s. The duration t is preferably between 5 s and 15 s.
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. Said dough can be made from a mixture of water, a binder in the proportions of 2 to 5% by weight, a dispersant in the proportions of 1 to 3% by weight, an agent anti-foaming in the proportions of 5 to 30 ppm, to which is added the polymer with a low coefficient of friction in the proportions of 60 to 80% by weight.
Ledit polymère à faible coefficient de frottement est de préférence un polyaryléthercétone. Said polymer with a low coefficient of friction is preferably a polyaryletherketone.
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. Another object of the invention is to provide two piston skirts of an internal combustion engine coated with a dry lubricant film according to the method described above.
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. The invention will be better understood on reading the description which follows, which is written by way of non-limiting example, and in the single appended figure which represents the upper part of a piston 1 of an internal combustion engine comprising two skirts 7a, 7b coated with a dry lubricant film 3 according to the 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. Prior to the deposition of the film 3 on the skirts 7a, 7b, the outer surface of the piston 1 is cleaned by means of a detergent or a solvent in order to remove impurities as well as any protective coating applied to protect the piston 1 during his transport.
L'opération permettant d'augmenter la rugosité des jupes 7a, 7b, peut être par exemple 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. The operation for increasing the roughness of the skirts 7a, 7b, may be for example a sanding operation which consists in projecting at high speed silica grains on the skirts 7a, 7b so as to create small impacts which favor the However, this operation is optional insofar as the skirts 7a, 7b admit a base roughness of about 20 microns which allows a sufficient attachment of the film 3 on said skirts.
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. The preparation of the dough, not shown in FIG. 1, is made from a mixture composed of water, a binder in the proportions of 2 to 5% by weight, and a dispersant in the proportions of 1 at 3% by weight, an anti-foaming agent in the proportions of 5 to 30 ppm, which is added a polymer with a low coefficient of friction in the proportions of 60 to 80% by weight.
Le polymère à faible coefficient de frottement est un polyaryléthercétone commercialisé sous le nom de Poly Ether Ether Ketone (PEEK TM). 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: Ce polymère est essentiel dans la composition de la pâte puisque c'est lui qui apporte 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. Il a toutefois aussi 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 25pm, soit de granulométrie moyenne 10pm. The polymer with a low coefficient of friction is a polyaryletherketone marketed under the name Poly Ether Ketone Ether (PEEK TM). It is a semi-crystalline polymer whose basic formula is the following: oxy-1,4-phenylene-oxy-1,4-phenylene-carbonyl-1,4-phenylene, shown in FIG. After: This polymer is essential in the composition of the dough since it is he who brings tribological properties to the film 3 and which therefore allows to significantly reduce the friction observed between the piston skirts and the cylinder. However, it was also chosen for its high chemical inertia and good mechanical performance especially at high temperatures. In hydrodynamic regime, it admits indeed a surface energy at least two times lower than fluorinated polymers, graphite and molybdenum disulfide. For the invention, it is advantageous to use two ultra-fine powders of low viscosity, either with an average particle size of 25 μm, or with an average particle size of 10 μm.
Concernant le liant, il est avantageux d'employer le RHODOVIOL 25/140 TM 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. As regards the binder, it is advantageous to use RHODOVIOL 25/140 TM which is a polyvinyl alcohol obtained by hydrolysis of polyvinyl acetate. It helps to promote the adhesion of the paste on the surface to be coated.
Concernant l'agent anti-moussage, il est avantageux d'employer le BEVALOID 581B TM. 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 TM dans l'eau. Concerning the anti-foaming agent, it is advantageous to use BEVALOID 581B TM. It is a mixture of aliphatic hydrocarbons and nonionic surfactants. It avoids the foaming phenomena that occur when mixing the PEEK TM powder in water.
Concernant le dispersant, il est avantageux d'employer le SINNOPAL OP11 TM. Il s'agit d'un tensioactif non anionique (Octylphénol ethoxyle), qui permet d'éviter la décantation de la poudre de PEEK TM en solution. Regarding the dispersant, it is advantageous to use SINNOPAL OP11 TM. It is a non-anionic surfactant (Octylphenol ethoxyl), which makes it possible to avoid the settling of the PEEK TM powder in solution.
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. The process of depositing the paste on the skirt 7a, 7b can be carried out by a method of the screen-printing type, which consists in rotating the piston 1 about its axis 2 and bringing the skirt 7a, 7b into contact with a screen, not shown in Figure 1, through which flows said dough.
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. Advantageously, and unlike a thermal spraying method, it is not necessary to mask the region of the grooves 5 of the piston 1 provided for the segments, to prevent the paste from being deposited there.
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. Once the skirt 7a, 7b thus coated, it is advantageous to heat the piston 1 at a temperature of about 200 C in order to partly dry the dough so as to obtain the dry lubricant film 3 and secondly to avoid the thermal shocks resulting from the heat treatment which will follow and which is located at said film 3 and not over the entire thickness of the skirt 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 CO2 de puissance comprise entre 800 et 5000 Watt. Indeed, so that said film 3 admits an amorphous structure, it is necessary to sinter it, ie to heat it at a temperature T for a period t. The heater can use YAG laser technology or CO2 lasers with power between 800 and 5000 Watt.
Avantageusement, la température T est comprise entre 350 C et 450 C. Advantageously, the temperature T is between 350 ° C. and 450 ° C.
Avantageusement, la durée t est comprise entre 5 s et 15 s. Advantageously, the duration t is between 5 s and 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 semicristalline. So that the film 3 largely retains its amorphous structure, it must then proceed to its cooling. By using the YAG laser heater as described above, a simple cooling with ambient air provides a semicrystalline structure.
Suivant le procédé décrit précédemment, l'épaisseur du film 3 est de 20 à 100pm. According to the process described above, the thickness of the film 3 is from 20 to 100 μm.
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 %. Compared to the results obtained with dry lubricant films comprising fluorinated polymers, graphite or molybdenum disulfide, a reduction of up to 20% in friction under hydrodynamic lubrication conditions is observed, which allows a gain in fuel consumption of at least 1%.
Suivant un autre mode de réalisation, 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. According to another embodiment, the film can be sintered by means of another heating device than the laser, such as an induction heating device. The temperature T is then between 380 C and 450 C and the duration t is reduced to an interval of 4 to 8 s. The cooling advantageously comprises a first air quenching intended to cool the surface of the skirt 7a, 7b to a temperature of approximately 260 ° C. and then a second quenching with water, intended to return the film 3 to the temperature while retaining an amorphous structure.
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