FR2924365A1

FR2924365A1 - Procede de fabrication d'un revetement comportant des pores aptes a retenir un lubrifiant et piece comportant un tel revetement

Info

Publication number: FR2924365A1
Application number: FR0759495A
Authority: FR
Inventors: Stephane Fonfrede; Guillaume Douchy; Aurelie Stihle; Hanlin Liao
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-05
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: FR2924365B1

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un revêtement (1) comportant des pores (6) aptes à retenir un lubrifiant, le procédé comportant une étape de projection de particules métalliques (3) sur un substrat (2), caractérisé en ce qu'au cours de ladite étape de projection, on fait varier en fonction de la zone du substrat (2) sur laquelle les particules métalliques sont projetées, au moins un des paramètres de la projection de particules métalliques de manière à faire varier la capacité des pores (6) aptes à retenir le lubrifiant.L'invention a également pour objet un revêtement (1) obtenu avec le procédé selon l'invention

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN REVETEMENT COMPORTANT DES PORES APTES A RETENIR UN LUBRIFIANT ET PIECE COMPORTANT UN TEL REVETEMENT. [0001] L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un revêtement apte à frotter en régime lubrifié et plus particulièrement un procédé de fabrication d'une chemise de carter cylindres. [0002] De manière classique, les chemises qui revêtent les cylindres des carters cylindres sont soumises à des contraintes io de frottement élevées lorsque le piston est en translation dans la chemise. Afin de minimiser l'usure due au contact entre la chemise et les segments de piston, il est nécessaire de recourir à un lubrifiant, en l'occurrence l'huile du moteur. Cependant, il est connu que les contraintes supportées par les parties 15 inférieure et supérieure de la chemise ne sont pas les mêmes que celles que supporte la partie centrale. En effet, au niveau du Point Mort Haut, la chemise est soumise à des forces de frottement caractérisées par des charges très élevées et des vitesses plutôt faibles, alors qu'au niveau de la partie centrale, 20 les forces de frottement sont caractérisées par des charges plus faibles et des vitesses très élevées. De ce fait, il est nécessaire de lubrifier davantage la partie supérieure de la chemise, que la portion centrale. [0003] Afin de favoriser la lubrification de la chemise et plus 25 particulièrement de sa partie supérieure, il est nécessaire de modifier l'état de surface des chemises. Ainsi, il est connu de réaliser à la surface des chemises, des petits pores ou bien des stries, qui font office de réserves d'huile et qui sont d'autant plus nombreuses et volumineuses qu'on s'éloigne de la partie centrale de la chemise pour se rapprocher de la partie supérieure. [0004] Selon l'art antérieur, les différents procédés connus pour réaliser les petits pores, ou bien les stries, appelés également procédés de texturation de surface, sont essentiellement le gravage par moletage, le gravage par laser ou bien des opérations spécifiques de rodage. Ces procédés de texturation interviennent nécessairement une fois que la chemise est en place dans le cylindre suite par exemple à son insertion ~o dans le cylindre. Les documents EP876870 et EP1157147 décrivent par exemple un procédé de gravage par laser. Des avancées récentes ont conduit à réaliser directement les chemises par projection thermique ou projection à froid (encore connu par le terme anglosaxon cold-spray) sur la paroi interne du 15 cylindre. En effet, les procédés de projection confèrent aux chemises ainsi réalisées, des états de surface dotés d'une porosité apte à coopérer avec un lubrifiant. De ce fait, le comportement en frottement en régime lubrifié des chemises se trouve amélioré. Toutefois, compte tenu des contraintes 20 mentionnées précédemment au niveau du Point Mort Haut, l'amélioration n'est pas suffisante et il apparaît nécessaire d'effectuer des opérations de texturation comme c'est le cas pour des chemises conventionnelles. [0005] Toutefois, l'opération de texturation constitue une 25 étape supplémentaire qui alourdit le procédé de fabrication des chemises. [0006] C'est pourquoi, notre invention a pour but de simplifier la fabrication des chemises en s'affranchissant de l'opération de texturation de surface mentionnée précédemment dans le cas où la chemise est réalisée par projection. [0007] De manière plus générale, notre invention a pour but de simplifier la texturation de pièces comportant un revêtement fabriqué par projection et destiné à frotter en régime lubrifié, en générant la texturation lors de la projection du revêtement. [0008] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un revêtement comportant des pores aptes à retenir un lubrifiant, le procédé comportant au moins une étape de projection de particules métalliques sur un substrat, ~o caractérisé en ce qu'au cours de ladite étape de projection, on fait varier en fonction de la zone du substrat sur laquelle les particules métalliques sont projetées, au moins un des paramètres de projection de manière à faire varier la capacité des pores aptes à retenir un lubrifiant. 15 [0009] Selon certaines caractéristiques, l'étape de projection de particules métalliques est une étape de projection thermique. [00010] Selon d'autres caractéristiques, on fait varier lors de l'étape de projection thermique au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la composition des 20 particules métalliques, la distance parcourue par lesdites particules, la taille desdites particules. [00011] Selon d'autres caractéristiques, l'étape de projection de particules métalliques est une étape de projection à froid. [00012] Selon d'autres caractéristiques, on fait varier lors de l'étape de projection à froid au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la taille, la dureté, la vitesse, la température de préchauffage, la composition des particules métalliques. [00013] Selon d'autres caractéristiques, on effectue une étape de rodage postérieurement à l'étape de projection. [00014] L'invention a également pour objet une pièce revêtue d'un revêtement métallique doté d'une porosité apte à coopérer l0 avec un lubrifiant, caractérisé en ce que le revêtement comporte au moins une variation de porosité à l'échelle macroscopique supérieure à 25%. [00015] Selon certaines caractéristiques, le revêtement est réalisé selon un procédé de projection thermique ou bien de 15 projection à froid (cold-spray). [00016] Selon d'autres caractéristiques, la pièce est un cylindre de moteur à combustion interne doté d'une chemise, la chemise étant un revêtement conforme à l'invention. [00017] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la 20 lecture de la description ci-après effectuée, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures 1 et 2. La figure 1 représente une vue schématique d'un procédé de fabrication d'un revêtement destiné à frotter en régime lubrifié tel qu'une chemise d'un cylindre d'un moteur à combustion interne. La figure 2 25 représente une vue schématique d'une coupe longitudinale d'un substrat comportant un revêtement destiné à frotter en régime lubrifié tel qu'un cylindre revêtu d'une chemise. [00018] La figure 1 représente une vue schématique d'une coupe longitudinale d'un cylindre 2 d'un moteur à combustion interne, ledit cylindre comportant un axe 5 de révolution. Une buse 4 appartenant à un dispositif de projection de particules métalliques 3 non représenté sur la figure 1, est mobile à l'intérieur du cylindre 2 à la fois en rotation autour de l'axe 5 et en translation suivant l'axe 5. De cette manière, la buse 4 projette les particules métalliques 3 sur toute la paroi interne du cylindre 2 lorsqu'elle se déplace en rotation autour de l'axe 5 et io en translation suivant l'axe 5, depuis la partie supérieure 7 jusqu'à la partie inférieure 9 du cylindre 2. Le revêtement constitué par les particules métalliques 3 ainsi déposées, forme la chemise 1 du cylindre 2. [00019] Selon l'invention, on cherche à faire varier au moins 15 un des paramètres de la projection de particules métalliques de manière à faire varier la porosité de la chemise suivant l'axe 5. [00020] Précisons tout d'abord que la porosité est fonction de la quantité et de la taille des pores présents à l'intérieur du revêtement ou bien débouchant à la surface du revêtement.

20 Généralement, la porosité s'évalue en mesurant pour un volume total de revêtement, le pourcentage représenté par les pores mentionnés précédemment. [00021] Précisons ensuite que les paramètres de la projection de particules métalliques sont aussi bien les paramètres relatifs 25 au dispositif tels que la température ou la vitesse de projection que les paramètres relatifs aux particules métalliques tels que la taille, la dureté, la composition. [00022] Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, le procédé de projection est un procédé de projection thermique classique par exemple du type plasma, arc-fils, HVOF. Le principe des procédés de projection thermique consiste à fondre les particules métalliques 3 à la sortie de la buse 4 et de les projeter sous l'impulsion d'un gaz contre la paroi interne du cylindre 2. Les particules fondues 3 s'écrasent alors sur la paroi et se solidifient en refroidissant à l'air. [00023] En fonction des paramètres de projection utilisés, les particules 3 arrivent sur la paroi interne du cylindre 2 à une io certaine température qui fait qu'elles sont plus ou moins malléables. De ce fait, moins leur température est élevée, moins les particules sont malléables et plus le revêtement, qu'elles constituent en s'empilant les unes sur les autres, comporte des pores en nombre et en taille importants. Notons que les pores en 15 superficie du revêtement débouchent à l'extérieur et constituent les réserves de lubrifiant recherchées par les opérations de texturation. [00024] Ceux sont les pores ainsi formées qui confèrent au revêtement sa porosité. 20 [00025] Les paramètres qui concernent la projection de particules métalliques, et qui permettent de faire varier la porosité, sont principalement la taille des particules, la distance parcourue par les particules entre la buse 4 et la paroi interne du cylindre 2, ainsi que la nature des particules. Ainsi, s'il est 25 nécessaire d'augmenter la porosité de la chemise 1, il faudra chercher à augmenter le nombre de pores. Pour ce faire, il faudra augmenter la distance entre la paroi interne du cylindre 2 et la buse 4, ou bien projeter des particules de taille supérieures ou bien faire varier la composition des particules, de sorte que lesdites particules soient moins malléables lorsqu'elles arrivent contre la surface interne du cylindre 2. [00026] Par exemple pour un revêtement réalisé à partir d'un s mélange de poudre aluminium et de quasicristaux du type (AlCuFe), la porosité peut être modifiée en faisant varier la distance entre la paroi interne du cylindre 2 et la buse 4. L'effet de cette modification sur le taux de porosité est fortement dépendant des paramètres plasmagènes utilisés qui sont io l'intensité, le débit total de gaz plasmagène utilisé, et le rapport de ces deux gaz. Ainsi, pour un plasma H2/Ar présentant un rapport H2/Ar très faible, une intensité de 215 et un débit total de 32, on augmente la porosité de 33% lorsqu'on augmente la distance entre la paroi interne du cylindre 2 et la buse 4 de 36%.

15 Par contre, pour un plasma plus énergétique, c'est à dire présentant un rapport H2/Ar élevé, une intensité de 300 et un débit total de 32, on augmente la porosité de 33% lorsqu'on diminue la distance entre la paroi interne du cylindre 2 et la buse 4 de 36%. 20 [00027] Bien entendu, il est possible de faire varier simultanément plusieurs paramètres. [00028] Suivant un second mode de réalisation de l'invention, le procédé de projection est un procédé de projection à froid, selon lequel les particules métalliques 3 ne sont pas fondues à la 25 sortie de la buse 4 mais uniquement projetées à très haute vitesse sous l'impulsion d'un gaz contre la paroi interne du cylindre 2. Les particules 3 s'écrasent contre la paroi uniquement sous l'impact de la vitesse. Selon ce mode de réalisation, 8 2924365 l'écrasement des particules sur la paroi interne est fonction de la vitesse, de la taille, de la composition, de la température de préchauffage ou bien de la dureté des particules. Ainsi, plus la vitesse est faible et/ou plus la dureté est élevée, et/ou plus la taille des particules est importante, plus le nombre et la taille des pores présents dans la chemise sont importants. De ce fait on augmente la porosité. [00029] Par exemple, en projection à froid à 28 bars de pression, le gaz de projection étant de l'air, la température du ro gaz de projection et du gaz porteur de la poudre étant de 650°C, la longueur du divergent de la buse étant de 53 mm, il est possible d'obtenir un dépôt de fer avec une porosité de 5,5%. Quand on ajoute 10% de poudre de fonte dans la poudre de fer initiale, la porosité diminue à 4,4%. Quand on ajoute 25% de 15 poudre de fonte, la porosité diminue à 2,75%. Enfin, quand on ajoute 50% de fonte dans la poudre de fer, la porosité du dépôt descend à 1,9%. De cette manière, la poudre de fonte, qui est très dure puisqu'elle admet une structure martensitique très fine de 800 Hv, contribue à densifier le dépôt en étant incluse dans le 20 dépôt de fer. [00030] Il est également possible de faire varier la porosité de la couche supérieure du dépôt en faisant varier la température de préchauffage de la poudre. En projection à froid à 28 bars de pression, le gaz de projection étant de l'air, la température du 25 gaz de projection et du gaz porteur de la poudre étant de 650°C, la longueur du divergent de la buse étant de 53 mm, les dépôts de bronze sont très denses puisque la porosité est inférieure à 0,5%. Il est possible d'augmenter la porosité de la couche supérieure du dépôt en diminuant la température de préchauffage de la poudre. Par exemple, en abaissant la température du gaz porteur de 650 °C à 500 °C, la porosité passe à 10% dans la couche supérieure. Seule la couche supérieure, dont l'épaisseur varie entre 20 et 100 m, est poreuse car chaque nouvelle couche arrivant contribue à densifier les couches inférieures par un effet de damage. La température de préchauffage de la poudre a une influence sur la dureté de la poudre et donc sur sa capacité à ce déformer au moment de l'impact. io [00031] Avantageusement, il est possible d'effectuer une opération de rodage après la projection du revêtement. Cette opération de rodage, qui consiste à abraser le revêtement sur une petite épaisseur de manière à obtenir un état de surface exempt de toute aspérité, est compatible avec l'invention. En 15 effet, l'abrasion fait apparaître des pores débouchants qui deviennent à leur tour des réserves de lubrifiant. [00032] De manière plus large, l'invention a aussi pour objet tel que représenté schématiquement sur la figure 2, une pièce 2 revêtue d'un revêtement 1 métallique doté d'une porosité apte à 20 coopérer avec un lubrifiant et présentant au moins une variation à l'échelle macroscopique de la porosité, supérieure à 25 %. En effet, les zones 7 et 9 comportent davantage de pores 6, de sorte que le revêtement 1 comporte une variation importante à l'échelle macroscopique de la porosité. 25 [00033] Avantageusement, le revêtement 1 est réalisé selon un procédé de projection thermique de particules métalliques au cours duquel on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la composition des particules métalliques, la distance parcourue par lesdites particules, la taille desdites particules. En effet, les procédés de projection thermiques sont des procédés connus et maîtrisés depuis longtemps, qui permettent de mettre aisément en oeuvre l'invention et notamment de faire varier précisément les paramètres requis. [00034] Avantageusement, le revêtement 1 est réalisé selon un procédé de projection à froid au cours duquel on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la taille, la dureté, la vitesse, la température de préchauffage, la composition des particules métalliques. En effet, les procédés de projection à froid présentent l'avantage de projeter à basse température et donc de préserver le substrat des contraintes thermiques. [00035] Avantageusement, l'invention peut s'appliquer à un cylindre de moteur à combustion interne en ce sens que le revêtement 1 est une chemise de cylindre. Compte tenu des contraintes de frottement présentes dans la chemise au niveau de la zone du Point Mort Haut, il est nécessaire d'augmenter la porosité dans cette zone. En doublant la valeur de la porosité, on observe un gain en frottement important.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un revêtement (1) comportant des pores (6) aptes à retenir un lubrifiant, le procédé comportant une étape de projection de particules s métalliques (3) sur un substrat (2), caractérisé en ce qu'au cours de ladite étape de projection, on fait varier en fonction de la zone du substrat (2) sur laquelle les particules métalliques sont projetées, au moins un des paramètres de la projection de particules métalliques de manière à faire io varier la capacité des pores (6) aptes à retenir le lubrifiant.

2. Procédé de fabrication d'un revêtement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de projection de particules métalliques (3) est une étape de projection thermique. 15

3. Procédé de fabrication d'un revêtement (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la composition des particules métalliques (3), la distance parcourue par lesdites particules, la taille desdites 20 particules.

4. Procédé de fabrication d'un revêtement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de projection de particules métalliques (3) est une étape de projection à froid. 25

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la taille, la dureté, la vitesse, la température de préchauffage, la composition des particulesmétalliques (3).

6. Procédé de fabrication d'un revêtement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue une étape de rodage postérieurement à l'étape de projection.

7. Pièce (2) revêtue d'un revêtement (1) métallique doté d'une porosité apte à coopérer avec un lubrifiant, caractérisée en ce que le revêtement (1) comporte au moins une variation à l'échelle macroscopique de la porosité io supérieure à 25 %.

8. Pièce (2) selon la revendication 7, caractérisée en ce que le revêtement (1) est réalisé selon un procédé de projection thermique au cours duquel on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la 15 composition des particules métalliques (3), la distance parcourue par lesdites particules, la taille desdites particules.

9. Pièce (2) selon la revendication 7, caractérisée en ce que le revêtement (1) est réalisé selon un procédé de 20 projection à froid au cours duquel on fait varier au moins un des paramètres choisi dans l'ensemble constitué par la taille, la dureté, la vitesse, la température de préchauffage, la composition des particules métalliques (3).

10. Pièce (2) selon l'une quelconque des revendications 25 7 à 9, caractérisée en ce que la pièce (2) est un cylindre de moteur à combustion interne, le revêtement (1) étant la chemise du cylindre. 12