FR2890425A1 - Revetement applique a un organe de glissement par projection thermique. - Google Patents

Revetement applique a un organe de glissement par projection thermique. Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un organe de glissement, préférablement une bielle (12), présentant, à l'endroit de sa tête, une surface de glissement (2,2') dans un matériau comprenant un bronze d'aluminium et de l'alumine. Un dépôt d'un tel matériau sur une bielle en acier par une torche plasma est prévu.

Description

REVETEMENT APPLIQUE A UN ORGANE DE GLISSEMENT PAR
PROJECTION THERMIQUE
La présente invention se rapporte à un organe de 5 glissement, et à un procédé d'application d'un matériau de glissement sur cet organe de glissement.
Plus particulièrement, la présente invention se rapporte, selon un premier de ses aspects, à un organe de glissement présentant une surface de glissement dans un 10 matériau comprenant un bronze d'aluminium.
Un tel organe de glissement est très utilisé notamment dans l'industrie automobile, plus particulièrement dans le montage de moteurs. La surface de glissement de l'organe de glissement est elle aussi connue de l'homme du métier. Ces surfaces de glissement peuvent avoir différentes compositions. Ainsi, une telle surface de glissement peut se présenter comme une structure multicouche complexe, constituée de Cu-Pb revêtu d'une barrière de diffusion en Ni surmontée d'une couche de frottement en Pb-Si déposée électrolytiquement ou en Al-Sn déposée par PVD.
La fabrication d'une telle surface de glissement est complexe, donc onéreuse, et écologiquement perfectible du fait de la présence de plomb.
De ce fait, le bronze d'aluminium est très utilisé pour ce genre de surface, de par ses propriétés anti-friction intéressantes au contact de l'acier et sa bonne résistance à l'usure.
Cependant, malgré ses caractéristiques intéressantes, le bronze d'aluminium reste limité en terme de résistance à l'usure.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un organe de glissement exempt au moins de l'une des limitations précédentes évoquées, qui présente une résistance à l'usure augmentée, ainsi qu'un procédé d'application d'un matériau sur l'organe de glissement permettant d'obtenir une surface de glissement présentant une résistance à l'usure améliorée.
A cette fin, l'organe de glissement de la présente invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci- dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le matériau de la surface de glissement comprend en outre de l'alumine.
Des études tribologiques ont montré que la présence d'alumine dans le matériau de la surface de glissement augmente la résistance à l'usure.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la teneur en alumine est comprise entre environ 20 et 40 en volume de matériau (matériau poudreux de départ, et a priori matériau de la surface de glissement réalisée).
Il a effectivement été observé qu'en dessous d'une concentration minimale d'environ 20% en volume de matériau, l'influence de l'alumine sur le taux d'usure est trop faible pour réduire ce dernier. Au contraire, une concentration supérieure à environ 40% en volume de matériau a montré des taux d'usure élevés, à cause d'un grand nombre de particules d'alumine piégées dans la surface de contact, accroissant ainsi l'usure par abrasion.
Il est également possible qu'il y ait du graphite en une teneur d'environ 5% en volume et/ou de l'étain (entre 0 et 7% en volume), ceci au moins dans le matériau poudreux de départ, la présence persistante dans le matériau de la surface de glissement réalisée étant plus incertaine.
Ces apports ont un rôle de lubrifiant solide.
Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, dans ledit matériau poudreux de départ, et a priori dans celui de la surface de glissement réalisée, on trouvera au sein du bronze d'aluminium (qu'il s'agisse d'une poudre avec prémélange d'alumine ou d'une poudre sans alumine), entre environ 5% et 25% en poids d'aluminium, environ 0 à 20 % en poids de fer, le reste du pourcentage en poids étant du cuivre, au moins essentiellement.
Dans le cas d'un matériau de départ à base de bronze d'aluminium, on conseille le choix d'une composition comprenant entre environ 5% et 15% en poids d'aluminium (de préférence environ 10%), environ 0 à 10 en poids de fer (de préférence environ 1%), le reste du pourcentage en poids étant du cuivre, au moins essentiellement. Pour réaliser le matériau de la surface de glissement, cette poudre de base recevra l'adjonction de l'alumine précitée, en prémélange ou non, c'est-à-dire avant son dépôt sur le substrat à recouvrir, ou lors de ce dépôt.
Selon un autre aspect de l'invention, la surface de glissement sera favorablement réalisée à l'endroit de l'alésage d'une tête de bielle et/ou de l'une au moins des faces latérales de cette tête de bielle (de préférence au moins à l'endroit de la bordure de l'alésage), dont elle favorisera la résistance à l'usure.
Dans un tel cas, la/les surface(s) de glissement réalisée(s) sera/seront typiquement mise(s) en contact avec un vilebrequin et, lors du fonctionnement du moteur, cette/ces surfaces sera/seront soumise(s) à des forces de frottement contre le vilebrequin.
2890425 4 Selon encore un autre aspect de l'invention, le matériau définit favorablement un revêtement sur un substrat comprenant de l'acier.
Selon encore un autre aspect de l'invention, une 5 partie au moins de la teneur en alumine dans le matériau est à l'état non fondu.
Cette forme d'alumine, non fondue, est la forme qui, a priori, a le plus d'influence sur le taux d'usure de la surface de glissement.
Comme déjà indiqué, l'invention concerne également un procédé d'application d'un matériau sur une surface d'un organe de glissement, ce procédé incluant une étape de projection thermique, sur ladite surface de l'organe de glissement, d'au moins du bronze d'aluminium et de l'alumine, en poudre(s).
Selon un mode de réalisation de l'invention, pendant l'étape de projection, on amène séparément dans un dispositif de projection une poudre de bronze d'aluminium et une poudre d'alumine.
Il est également possible de projeter concomitamment le bronze d'aluminium et l'alumine.
Dans ce cas, selon un aspect de l'invention, on projette le bronze d'aluminium et l'alumine en utilisant un dispositif de projection par plasma.
De plus, dans ces circonstances, ladite projection plasma s'effectue sous atmosphère d'air.
Par ailleurs, selon un autre aspect de l'invention, le bronze d'aluminium et l'alumine projetés sont injectés dans le dispositif de projection plasma par au moins deux injecteurs situés côte à côte, l'un recevant au moins essentiellement du bronze d'aluminium et l'autre recevant au moins essentiellement de l'alumine.
Plusieurs documents de l'art antérieur décrivent l'utilisation d'alumine dans des matériaux de surface, par exemple CA-A-2052050 décrit un revêtement d'alumine pour la protection de l'acier inoxydable. Le but de ce document est de proposer de déposer par voie électrolytique de l'aluminium qui est ensuite oxydé par traitement thermique de manière à obtenir 100 % d'aluminium dans la couche.
FR-A-2 683 813 décrit un procédé pour réduire la porosité d'un revêtement en matériau céramique, par exemple un revêtement d'alumine. Plus précisément, il décrit l'utilisation de revêtement à Al2O3-TiO2 projetés par plasma. Le taux d'alumine est ensuite environ de 80-97 A la différence des documents ci-dessus, la présente invention a pour but l'amélioration de la résistance à l'usure et utilise, avec l'alumine adjointe au bronze d'aluminium, une composition différente de celles décrite par ces documents.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif.
La Figure 1 représente schématiquement un organe de 25 glissement selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
La Figure 2 correspond à la coupe II-II de la figure 1.
La Figure 3 représente schématiquement un dispositif 30 de projection plasma pour l'application des poudres.
2890425 6 La Figure 4 montre schématiquement la projection séparée du bronze d'aluminium et de l'alumine, selon deux variantes de projection, A et B. Les Figures 1 et 2 montrent un organe de glissement selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Il s'agit d'une bielle 12 de moteur à explosion. Cet organe comprend une tête 1 munie d'une surface de glissement 2 et/ou 2', et un pied 3.
Sur la bielle illustrée, la surface de glissement 2 est située à l'endroit de l'alésage de la tête de bielle, a priori sur tout le périmètre de cet orifice, et la surface de glissement 2' est située à l'endroit de l'une au moins des (de préférence des deux) faces latérales opposées de cette tête de bielle, au moins en bordure de l'alésage précité.
Dans ce mode de réalisation préféré, on a utilisé un bronze d'aluminium en tant que composé principal du matériau de la surface de glissement 2/2' de l'organe de glissement.
Pour atteindre les objectifs visés, la composition de ce bronze d'aluminium sera favorablement d'environ 10% en poids d'aluminium, environ 1 % en poids de fer, le reste du pourcentage étant, au moins essentiellement, du cuivre. Préférablement, le bronze d'aluminium est formé de particules sphéroïdales. Ce bronze d'aluminium est typiquement disponible avec deux granulométries [-125 + m] (poudre METCO 51-NS) et [53 + 11 m] (poudre METCO 51F-NS).
Selon ce mode de réalisation préféré, le matériau de la surface de glissement formant le revêtement 2/2' comprend également de l'alumine, favorablement obtenue à partir d'une alumine fine, préférablement sous forme initiale de poudre, telle que METCO 105 SFP se présentant sous la forme de particules granulaires, de granulométrie [-22 + 5 m]. Préférablement, cette alumine est présente dans le matériau poudreux de départ et a priori dans la surface de glissement 2 et/ou 2' à hauteur de 20 à 40 % en volume du matériau.
Selon un autre aspect de la présente invention, le bronze d'aluminium et l'alumine, préférablement donc apportés sous forme de poudre(s), seront appliqués par un procédé de projection thermique, favorablement une projection sous plasma effectuée sur le substrat 9 concerné, ici l'organe de glissement constitué par la/les zones considérées de la bielle 12.
Plus précisément, on conseille cette application de bronze d'aluminium et d'alumine sur le substrat concerné, s'effectue selon l'un des deux modes de réalisation suivants.
Selon un premier mode de réalisation, le bronze d'aluminium poudreux, l'alumine poudreuse et d'autres composés optionnels sont co-projetés sur le substrat 9, après avoir été amenés séparément dans le dispositif de projection 13, donc sans avoir été préalablement mélangés. Favorablement, ces poudres seront projetées concomitamment sur le substrat à recouvrir.
Selon un second mode de réalisation, le bronze d'aluminium poudreux, l'alumine poudreuse et autres composés seront mélangés préalablement, avant dépôt, et le mélange ainsi obtenu sera ensuite amené dans le dispositif de projection 13 pour être déposé sur le substrat 9.
Optionnellement, un lubrifiant peut être ajouté au matériau à déposer pour former la surface de glissement 2890425 8 2/2'. En tant que lubrifiant, il est possible d'utiliser un lubrifiant solide, notamment du graphite, et par exemple de la poudre NEYCO G-1059 prenant la forme de particules lamellaires et présentant avantageusement une granulométrie moyenne de 10 m. Préférablement, ce lubrifiant sera ajouté à l'une des poudres projetées, à hauteur d'environ 5 % en volume du matériau de cette surface de glissement. En complément, ou en substitution, le matériau poudreux pourra comprendre entre 0 et 7% en volume d'étain (favorablement environ 1%), toujours donc pour la lubrification.
En particulier dans le cas ici considéré d'une bielle, le substrat 9 sur lequel le bronze d'aluminium et l'alumine sont déposés par apport thermique est préférablement constitué par un acier faiblement allié, par exemple un acier XC70, ce substrat ayant été de préférence préalablement traité par sablage, puis nettoyé avec de l'éthanol ou tout autre solvant approprié, avant utilisation.
Sur la Figure 3 est représenté un dispositif de projection plasma 13. Ce dispositif comprend une torche plasma 4 comme source de chaleur pour fondre et accélérer la/les poudre(s) de matériau qui doi(ven)t revêtir le substrat 9. La ou les poudres sont véhiculées jusqu'au plasma par un gaz porteur fourni en 20 dans le dispositif de projection. Un arc électrique de haute intensité est créé entre deux électrodes 6 et 7, refroidies par une circulation d'eau 5, pour ioniser des gaz, appelés aussi plamogènes. Le mélange des poudres (en particulier) de bronze d'aluminium et d'alumine est ici amené dans le dispositif de projection plasma 13 par un injecteur 8, puis projeté sur le substrat 9.
2890425 9 Préférablement, ce dispositif de projection plasma 13 permet d'effectuer une projection plasma sous air, c'est-à-dire que l'enceinte de ce dispositif 13 est remplie d'air à la pression atmosphérique. Cette atmosphère, pendant la projection est, par exemple, refroidie et recyclée par passage à travers des échangeurs de chaleur, notamment.
Un refroidissement du substrat 9 et du revêtement déposé peut être assuré par deux buses (non représentées) soufflant de l'air comprimé et situées de part et d'autre de la torche plasma 4.
Figure 4, le bronze d'aluminium et l'alumine, préférablement donc sous forme de plusieurs poudres, sont co-projetés, c'est-à-dire projetés concomitamment, sans avoir été mélangés préalablement. Ces poudres ont donc été ici amenées séparément dans le dispositif de projection plasma 13 tel que décrit plus haut, par deux injecteurs 10 et 11 différents (au lieu de l'injecteur unique 8). Ces injecteurs 10 et 11 sont préférablement orientables de manière à pouvoir choisir l'angle entre eux entre 0 et 180 comme représenté sur cette figure 4, où deux modes A et B de co-projection sont représentés.
Dans la réalisation A, les injecteurs 10 et 11 sont sensiblement face à face, ici à 180 l'un de l'autre.
Dans la réalisation B ces injecteurs 10 et 11 ont été placés sensiblement côte à côte (le deuxième injecteur 11, trait fantôme, est donc caché derrière celui repéré 10 en trait plein), de telle manière que l'on ait favorablement un angle d'environ 0 (injecteurs strictement parallèles) à 30 entre eux.
Lors d'une co-projection selon le mode B, les particules d'alumine sont a priori mieux réparties dans la matrice. Cette dernière position des injecteurs sera donc préférée.
Quelle que soit la position relative des injecteurs, la composition du bronze d'aluminium est favorablement telle que définie plus haut. Une poudre de bronze d'aluminium plus fine est préférable du point de vue de la taille des pores et de la rugosité, par exemple la poudre METCO 51F-NS. Il est cependant à noter qu'un bronze ayant une composition différente n'est pas exclu.
Préférablement, et comme précédemment, l'alumine sera présente à hauteur d'environ 20 à 40 % en volume, ici dans la poudre concernée de départ,.
Les résultats ont clairement montré, par exemple par des études de cartographies par MEB, une homogénéité de l'alumine dans le dépôt lors d'une co-projection, améliorant ainsi la résistance à l'usure du matériau de surface de glissement. De plus, des études AFM, par exemple, ont montré la présence d'alumine non fondue. Cette alumine non fondue est favorisée par une orientation des injecteurs côte à côte.
L'adjonction précitée de graphite et/ou d'étain, pour la lubrification, est toujours possible, dans les 25 proportions indiquées.
Dans l'un quelconque des modes de réalisation décrits plus haut, il est apparu que d'autres composés peuvent être présents dans le dépôt, par exemple des oxydes formés lors de la projection, par exemple, des oxydes de fer, ou encore des composés tels que 0-AlCu3.
De plus, les étapes de projection ou co-projection décrites plus haut peuvent être précédées par une étape de préchauffage du substrat.
On notera également que la torche sous plasma 13 5 pourrait être remplacée par un autre procédé d'apport thermique, tel que HVOF (high velocity oxyfuel).
2890425 12

Claims (18)

REVENDICATIONS
1. Organe de glissement (9, 12) présentant une surface de glissement (2, 2') dans un matériau comprenant un bronze d'aluminium caractérisé en ce que ce matériau comprend en outre de l'alumine.
2. Organe de glissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la teneur en alumine est comprise dans une gamme de 20 à 40 % en volume du matériau.
3. Organe de glissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bronze d'aluminium dans le matériau comprend entre 5% et 15% en poids d'aluminium, environ, de 0 à 10 % en poids de fer, environ, le reste du pourcentage en poids étant du cuivre, au moins essentiellement.
4. Organe de glissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bronze d'aluminium dans le matériau comprend environ 10 % en poids d'aluminium, environ 1 % en poids de fer, le reste du pourcentage en poids étant au moins essentiellement du cuivre.
5. Organe de glissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de glissement (2,2') est située à l'endroit d'une tête (1) de bielle (12) pour moteur, dont elle favorise la résistance à l'usure.
7. Organe de glissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de glissement (2,2') est définie à l'endroit de l'alésage (2) de ladite tête (1) de bielle (12) et/ou de l'une au moins des surfaces latérales (2') de cette tête de bielle.
8. Organe de glissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau définit un revêtement, sur un substrat (9, 12) comprenant de l'acier.
9. Organe de glissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la teneur en alumine dans le matériau est à l'état non fondu.
10. Procédé d'application d'un matériau sur une surface d'un organe de glissement, ce procédé incluant une étape de projection thermique, sur ladite surface (2, 2') de l'organe de glissement (9, 12), d'au moins du bronze d'aluminium et de l'alumine, en poudre(s).
11. Procédé d'application selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pendant l'étape de projection, on amène séparément, dans un dispositif de projection (10, 11, 13) une poudre de bronze d'aluminium et une poudre d'alumine.
12. Procédé d'application selon la revendication 10 20 ou 11, caractérisé en ce qu'on projette concomitamment le bronze d'aluminium et l'alumine.
13. Procédé d'application selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'on projette le bronze d'aluminium et l'alumine en utilisant un dispositif de projection plasma (13).
14. Procédé d'application selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite projection plasma s'effectue sous atmosphère d'air.
15. Procédé d'application selon la revendications 13 ou 14, dans lequel le bronze d'aluminium et l'alumine projetés sont injectés dans le dispositif de projection plasma (13) par au moins deux injecteurs (10, 11) situés soit sensiblement côte à côte, soit sensiblement face à face, l'un recevant au moins essentiellement du bronze d'aluminium et l'autre recevant au moins essentiellement de l'alumine.
16. Matériau poudreux comprenant un bronze d'aluminium, pour réaliser une surface de glissement (2, 2') sur un organe de glissement (9, 12), caractérisée en ce que la poudre comprend en outre de l'alumine.
17. Matériau poudreux comprenant au moins deux poudres pour réaliser une surface de glissement (2, 2') sur un organe de glissement (9, 12), l'une de ces poudres comprenant au moins essentiellement un bronze d'aluminium, l'autre comprenant au moins essentiellement de l'alumine.
18. Matériau poudreux selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre du graphite et/ou de l'étain, pour la lubrification.
19. Matériau poudreux selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que la teneur en alumine est 20 comprise entre 20% à 40 % en volume.
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