PROCEDE DE REALISATION D'UN REVÊTEMENT DE MATERIAU METALLIQUE SUR UNE SURFACE D'ALESAGE, EN PARTICULIER SUR LA SURFACE INTERNE D'UN FÛT DE CARTER CYLINDRES DE MOTEUR A EXPLOSION. METHOD FOR PRODUCING A COATING OF METALLIC MATERIAL ON A BORING SURFACE, ESPECIALLY ON THE INTERNAL SURFACE OF AN EXPLOSION MOTOR CYLINDER CASTER RATING.
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur la surface interne d'un fût d'un carter cylindres de moteur à explosion de véhicule automobile. Le but de ce procédé est d'introduire un matériau aux propriétés tribologiques améliorées, qui remplace les chemises en fonte insérées à la coulée dans les fûts de carter cylindres en aluminium. Les chemises en fonte, en fritté ou en aluminium hypersilicé sont généralement insérées à la coulée dans des carters en aluminium sous pression ou gravité pour maîtriser le positionnement à la coulée de l'aluminium pendant l'injection, pour diminuer la déformation des fûts due aux contraintes thermiques importantes à la coulée, pour apporter une bonne rigidité des carters en aluminium en fonctionnement moteur et pour avoir une bonne cohésion chemise/carter. The present invention relates to a method of producing a metal coating on a bore surface, particularly but not exclusively to a method of producing a metal coating on the inner surface of a barrel of a crankcase of engine cylinders. motor vehicle explosion. The purpose of this method is to introduce a material with improved tribological properties, which replaces the cast iron liners inserted into the cast aluminum cylinder barrels. Cast iron, sintered or hypersiliculated aluminum liners are usually inserted into aluminum casings under pressure or gravity to control the positioning of the aluminum casting during injection, to reduce the deformation of the drums due to important thermal stresses to the casting, to bring a good rigidity of the aluminum crankcases in engine operation and to have a good cohesion shirt / crankcase.
Les avantages de l'utilisation des chemises en fonte à graphite lamellaire (ou fonte « GL ») sont essentiellement l'important retour sur expérience produit/procédé, le faible coût des chemises et la rigidité apportée dans un carter en aluminium. Les inconvénients de cette utilisation sont, toutefois, nombreux : une masse importante, une conductivité thermique médiocre et des coefficients de dilatation différents pour les chemises et le carter, etc. D'où l'intérêt de nombreux constructeurs automobiles pour une solution différente, qui consiste à remplacer ces chemises en fonte par un revêtement appliqué directement sur les surfaces internes des fûts des carters cylindres. Il peut s'agir d'un revêtement réalisé par un procédé de projection thermique. Il peut s'agir, aussi, de manière alternative, de revêtir simplement les surfaces internes des fûts par un matériau métallique aux propriétés tribologiques améliorées par rapport à la fonte. The advantages of using lamellar graphite cast iron (or "GL" cast iron) are essentially the important feedback on product / process experience, the low cost of the shirts and the rigidity provided in an aluminum casing. The disadvantages of this use are, however, numerous: a large mass, poor thermal conductivity and different expansion coefficients for the liners and housing, etc. Hence the interest of many car manufacturers for a different solution, which consists of replacing these cast iron shirts with a coating applied directly to the internal surfaces of the barrels of the cylinder housings. It may be a coating made by a thermal spraying process. It may also be, alternatively, to simply coat the internal surfaces of the barrels with a metal material with improved tribological properties compared to the cast iron.
Le but de la présente invention est de fournir un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement un procédé permettant de réaliser sur les surfaces internes des fûts d'un carter cylindres un revêtement d'un matériau métallique qui présente des propriétés tribologiques favorables aux différents régimes de lubrification présents dans les fûts du carter cylindres. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel procédé, qui permette un allégement de la masse des carters cylindres, une diminution des pertes mécaniques dues aux frottements, une diminution de l'usure des segments d'étanchéité des pistons, une meilleure conductivité thermique entre l'insert et le fût de carter cylindres. Enfin, c'est également un but de la présente invention de fournir un tel procédé, qui soit de mise en oeuvre simple, et qui soit économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement sur la surface interne d'un fût de carter cylindres de moteur à explosion de véhicule, et ce procédé nouveau comporte les étapes suivantes, prises en combinaison : - réalisation d'un insert en matériau métallique, qui 30 présente une surface externe de faible conicité, - fixation de l'insert conique sur un mandrin, fixé au bout d'une machine rotative, entraînement en rotation à vitesse sensiblement constante de l'insert conique par le mandrin et avance de 35 l'insert conique dans le fût de carter cylindres, la surface interne dudit fût étant également de faible conicité, - accostage de l'insert conique dans le fût de carter cylindres, - soudage par friction de l'insert conique sur le fût, de telle sorte que les surfaces en contact de l'insert 5 conique et du fût se lient intimement, et - alésage de l'insert conique pour donner la géométrie du cylindre interne de fût de carter cylindres. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention, la surface externe de l'insert conique et la surface interne 10 du fût présentent, toutes deux, une conicité inférieure à 5° d'angle. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention également, la surface externe de l'insert conique et la surface interne du fût présentent une certaine rugosité 15 favorable à l'assemblage par friction de l'insert conique et du fût de carter cylindres. Dans le procédé de l'invention, il peut être prévu, de plus, une étape finale de rodage de l'alésage de l'insert conique. 20 Le fût de carter cylindres peut avantageusement être réalisé dans l'un des matériaux suivants : fonte, aluminium. L'insert conique peut avantageusement être réalisé dans un matériau à base de cuivre, de type bronze et/ou contenant du chrome, ou bien dans un matériau à base de 25 molybdène, pouvant contenir du chrome et/ou du nickel, ou bien encore dans un matériau à base de fer, contenant de la wüstite et de la magnétite. Dans ce dernier cas, le matériau de l'insert conique peut également contenir de l'hématite. La présente invention a également pour objet un 30 procédé de réalisation des fûts d'un carter cylindres, qui comporte les étapes suivantes : - usinage relativement grossier des fûts du carter cylindres, de manière à garantir l'existence de crêtes de rugosité sur la surface interne des fûts, 35 - revêtement métallique de la surface interne de chaque fût de carter cylindres selon un procédé conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes, et - surfaçage du carter cylindres, de façon à éliminer toute matière dépassant les fûts. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - la figure 1 représente, de manière très schématique, les étapes du procédé de réalisation d'un revêtement de matériau métallique sur la surface interne des fûts d'un carter cylindres de moteur à explosion, et les figures 2A à 2D représentent, très schématiquement, le processus de soudage par friction de l'insert métallique utilisé par l'invention dans un fût de carter cylindres. En référence au schéma de la figure 1, on a illustré les différentes étapes du procédé selon la présente invention, appliqué à la réalisation d'un revêtement métallique sur la surface interne des fûts d'un carter cylindres de référence générale 1. On part d'un insert métallique, de référence générale 10, dont la surface externe 11 présente une conicité inférieure à 5° d'angle, fixé sur un mandrin (non représenté). The object of the present invention is to provide a method for producing a metal coating on a boring surface, in particular but not exclusively a method for producing on the inner surfaces of the barrels of a crankcase a coating of a metallic material which has tribological properties favorable to the different lubrication regimes present in the barrels of the crankcase. Another object of the present invention is to provide such a method, which allows a lightening of the mass of the crankcases, a reduction of the mechanical losses due to friction, a reduction of the wear of the piston sealing rings, a better thermal conductivity between the insert and the crankcase barrel. Finally, it is also an object of the present invention to provide such a method, which is simple to implement, and which is economical. To achieve these objects, the present invention relates to a method of producing a metal coating on a bore surface, in particular but not exclusively on the inner surface of a crankcase barrel of a combustion engine of a vehicle and this new method comprises the following steps, taken in combination: - production of an insert of metal material, which has an outer surface of small conicity, - attachment of the conical insert on a mandrel, fixed at the end of a rotary machine, rotating at a substantially constant speed of the conical insert by the mandrel and advancing the conical insert into the cylinder block, the inner surface of said barrel being also of low conicity, - docking of the conical insert in the crankcase barrel; frictional welding of the conical insert to the barrel, so that the contacting surfaces of the conical insert and the barrel are intimately bonded together; t, and - bore the tapered insert to give the geometry of the cylinder inner cylinder cylinder barrel. According to the preferred embodiment of the invention, the outer surface of the conical insert and the inner surface 10 of the barrel both have a taper of less than 5 ° angle. According to the preferred embodiment of the invention also, the outer surface of the conical insert and the inner surface of the barrel have a certain roughness favorable for frictional assembly of the conical insert and the crankcase barrel. In the method of the invention, it can be provided, in addition, a final step of breaking in the bore of the conical insert. The cylinder block can advantageously be made of one of the following materials: cast iron, aluminum. The conical insert may advantageously be made of a material based on copper, of the bronze type and / or containing chromium, or in a material based on molybdenum, which may contain chromium and / or nickel, or even in an iron-based material containing wustite and magnetite. In the latter case, the material of the conical insert may also contain hematite. The present invention also relates to a method of producing the barrels of a crankcase, which comprises the following steps: relatively rough machining of the barrels of the crankcase, so as to guarantee the existence of ridges of roughness on the surface internal casing, 35 - metal coating of the inner surface of each barrel sump cylinder according to a process as described above in outline, and - surfacing the crankcase cylinders, so as to eliminate any material exceeding the drums. Other objects, advantages and characteristics of the invention will appear in the following description of a preferred embodiment, not limiting the object and scope of the present patent application, accompanied by drawings in which: FIG. 1 represents, very schematically, the steps of the method of producing a coating of metallic material on the inner surface of the barrels of a crankcase of combustion engines, and FIGS. 2A to 2D represent, very schematically, the process of friction welding of the metal insert used by the invention in a crankcase barrel. Referring to the diagram of Figure 1, there is illustrated the various steps of the method according to the present invention, applied to the production of a metal coating on the inner surface of the barrels of a crankcase reference cylinder 1. We start with a metal insert, general reference 10, whose outer surface 11 has a taper less than 5 ° angle, fixed on a mandrel (not shown).
Le procédé de réalisation d'un revêtement de matériau métallique selon l'invention comporte trois étapes principales, référencées I, II, III sur le schéma de la figure 1. I) entraînement en rotation (sens de la flèche « R ») à vitesse sensiblement constante de l'insert conique 10 par le mandrin et déplacement sensiblement vertical (sens de la flèche « D ») et relativement lent dudit insert conique 10 dans un fût 20 d'un carter cylindres, d'axe longitudinal « Z » et dont la surface interne 21 présente également une conicité inférieure à 5° d'angle, II) accostage de l'insert conique 10 dans le fût conique 20, et soudage par friction de l'insert conique 10 sur le fût conique 20, de telle sorte que les surfaces en contact 11 et 21 de l'insert 10 et du fût 20, respectivement, se lient intimement, et III) alésage de l'insert 10 pour donner la géométrie 5 du cylindre de fût 20 de carter cylindres (la référence 30 désigne l'outil d'alésage). Comme exposé ci-dessus, on part d'un insert métallique légèrement conique. La conicité de la surface externe 11 de l'insert 10 et de la surface interne 21 du fût 20 permet 10 d'obtenir un léger frottement des surfaces en contact. Ce léger frottement permet de créer un échauffement léger mais suffisant pour atteindre la plasticité des surfaces métalliques 11, 21 en contact et permet, ainsi, leur léger fluage. Le frottement doit rester léger pour garantir une 15 introduction totale (sur toute sa longueur) de l'insert 10 dans le fût 20, mais doit également être suffisant pour générer un fluage dans la zone des matériaux en contact, c'est-à-dire pour générer une déformation irréversible. La géométrie légèrement conique de l'insert 10 permet 20 également d'obtenir, de manière simple, un positionnement de l'insert 10 dans le fût 20 sans qu'il soit nécessaire de recourir à l'usinage d'un chanfrein en position basse du fût 20. Il importe de noter que les surfaces en contact, à 25 savoir la surface externe 11 de l'insert 10 et la surface interne 21 du fût 20, ne sont pas rectifiées de façon à leur garantir une rugosité suffisante. Cette rugosité des surfaces 11 et 21 favorise, au cours de la phase de soudage par friction, la plastification par frottement avec micro 30 fusion des crêtes surfaciques dues à la rugosité, ce qui garantit l'adhérence entre l'insert 10 et le fût 20. L'utilisation de la technique de soudage par friction permet d'appliquer à l'intérieur des fûts 20 des carters cylindres en fonte ou en aluminium déjà coulés des matériaux 35 qui présentent des propriétés tribologiques favorables aux différents régimes de lubrification présents dans les fûts (régime hydrodynamique dans la zone de milieu de fût et régime mixte en haut et en bas du fût). La technique de soudage par friction, connue en soi, permet d'assembler l'aluminium et d'autres métaux non ferreux difficiles à souder par les procédés classiques. C'est une technique économique, qui n'utilise aucun gaz, même inerte, qui utilise un équipement connu, qui peut être réalisée par un personnel non spécialisé. Le processus de soudage par friction est illustré sur le dessin des figures 2A à 2D. L'insert conique 10, entraîné en rotation (flèche « R ») à vitesse sensiblement constante, avance (flèche « D ») dans le fût 20 (figure 2A), jusqu'à accoster sur la surface interne 21 du fût 20 (figure 2B). Le frottement des surfaces 11 et 21 en contact, dû en particulier à la composante radiale « P » de l'effort de l'insert 10 sur le fût 20, provoque la micro fusion des crêtes surfaciques de rugosité mentionnées précédemment, par conséquent la plastification sur une certaine épaisseur des surfaces 11, 21 en contact, dans la zone illustrée par la référence « M » de la figure 2C. Selon l'état des surfaces des pièces 10 et 20 avant soudure, les paramètres de cette phase d'assemblage par friction sont nécessairement différents en effort et en temps d'application pour faire en sorte qu'il n'y ait pas de vibration susceptible de nuire à la mécanique de la machine utilisée, notamment au mandrin d'entraînement (non représenté) de l'insert 10, et à la géométrie et à la coaxialité des pièces 10, 20 en contact. Pour cette étape d'assemblage par friction, les paramètres de soudage sont déterminés d'après les caractéristiques des matériaux, leur coefficient de friction et leur section. La température en surface interne 21 du fût 20 et surface externe 11 de l'insert 10 croît et la plasticité des métaux en contact augmente à mesure que l'insert 10 est introduit dans le fût 20. Les deux surfaces 11 et 21 se lient intimement avec absence de lames d'air (liaison illustrée par la référence « S » de la figure 2D). The process for producing a coating of metallic material according to the invention comprises three main stages, referenced I, II, III in the diagram of FIG. 1. I) rotary drive (direction of arrow "R") at speed substantially constant of the conical insert 10 by the mandrel and substantially vertical displacement (direction of arrow "D") and relatively slow of said conical insert 10 in a barrel 20 of a cylinder block, of longitudinal axis "Z" and the inner surface 21 also has a conicity less than 5 ° of angle, II) docking of the conical insert 10 in the conical shaft 20, and frictional welding of the conical insert 10 on the conical shaft 20, so that that the contact surfaces 11 and 21 of the insert 10 and the shank 20, respectively, bind intimately, and III) bore of the insert 10 to give the geometry 5 of the sump drum 20 (reference 30 means the boring tool). As explained above, we start from a slightly conical metal insert. The conicity of the outer surface 11 of the insert 10 and the inner surface 21 of the barrel 20 makes it possible to obtain a slight friction of the surfaces in contact. This slight friction makes it possible to create a slight but sufficient heating to reach the plasticity of the metal surfaces 11, 21 in contact and thus allows their slight creep. The friction must remain light to ensure full (full length) insertion of the insert 10 into the barrel 20, but must also be sufficient to generate creep in the area of the materials in contact, i.e. say to generate irreversible deformation. The slightly conical geometry of the insert 10 also makes it possible to obtain, in a simple manner, a positioning of the insert 10 in the shank 20 without the need to resort to machining a chamfer in a low position. It is important to note that the contacting surfaces, namely the outer surface 11 of the insert 10 and the inner surface 21 of the barrel 20, are not ground so as to guarantee them sufficient roughness. This roughness of the surfaces 11 and 21 promotes, during the friction welding phase, frictional lamination with micro-fusion of the surface ridges due to the roughness, which guarantees the adhesion between the insert 10 and the barrel 20. The use of the friction welding technique makes it possible to apply inside the drums 20 already poured cast iron or aluminum casings of materials which have tribological properties favorable to the different lubrication regimes present in the drums. (hydrodynamic regime in the mid-barrel zone and mixed regime at the top and bottom of the barrel). The friction welding technique, known per se, makes it possible to assemble aluminum and other non-ferrous metals difficult to weld by conventional methods. It is an economical technique, which uses no gas, even inert, which uses known equipment, which can be carried out by non-specialized personnel. The friction welding process is illustrated in the drawing of Figs. 2A to 2D. The conical insert 10, rotated (arrow "R") at a substantially constant speed, advances (arrow "D") into the barrel 20 (FIG. 2A), until reaching the inner surface 21 of the barrel 20 (FIG. 2B). The friction of the surfaces 11 and 21 in contact, due in particular to the radial component "P" of the force of the insert 10 on the shank 20, causes the merging of the surface roughness peaks mentioned previously, therefore the plasticization over a certain thickness of the surfaces 11, 21 in contact, in the area illustrated by the reference "M" of Figure 2C. Depending on the state of the surfaces of the parts 10 and 20 before welding, the parameters of this friction assembly phase are necessarily different in effort and time of application to ensure that there is no vibration susceptible to adversely affect the mechanics of the machine used, in particular the drive mandrel (not shown) of the insert 10, and the geometry and coaxiality of the parts 10, 20 in contact. For this friction assembly step, the welding parameters are determined from the characteristics of the materials, their coefficient of friction and their section. The internal surface temperature 21 of the barrel 20 and outer surface 11 of the insert 10 increases and the plasticity of the metals in contact increases as the insert 10 is introduced into the barrel 20. The two surfaces 11 and 21 are closely connected with no air gap (connection illustrated by the reference "S" of Figure 2D).
Comme déjà évoqué précédemment, l'insert conique 10 est réalisé dans un matériau à propriétés tribologiques intéressantes. Ainsi, pour la réalisation de l'insert conique, les bases « cuivre », de type bronze peuvent être utilisées en leur ajoutant des éléments durcisseurs, tels que le nickel pour améliorer leur résistance à l'usure. D'autres éléments peuvent également être introduits pour augmenter leur résistance à la corrosion, comme par exemple du chrome. As already mentioned above, the conical insert 10 is made of a material with interesting tribological properties. Thus, for producing the conical insert, the "copper" bases, of the bronze type, can be used by adding hardening elements, such as nickel, to improve their resistance to wear. Other elements may also be introduced to increase their resistance to corrosion, such as for example chromium.
De la même façon, les bases « molybdène » présentent un faible coefficient de frottement et la présence d'éléments, tels que le nickel et le chrome, permettent de les durcir pour améliorer leur résistance à l'usure. L'oxydation du molybdène (en dioxyde de molybdène « Mo02 ») a pour résultat également un durcissement du matériau. Toujours pour la réalisation de l'insert, les bases « fer » peuvent être envisagées si elles contiennent de la wüstite (FeO) et de la magnétite (Fe304), qui sont des composés durs et autolubrifiants permettant d'apporter à la matrice « fer » de bonnes propriétés tribologiques, spécialement aux points morts « haut » et « bas » des fûts où l'usure des chemises est principalement localisée (zones d'existence d'une lubrification mixte). Les taux d'oxydes (wüstite + magnétite) varient de 10 à 30 % environ. On notera qu'un troisième oxyde de fer peut être présent dans les dépôts : l'hématite (Fe203), qui présente des propriétés abrasives uniquement (pas de propriétés autolubrifiantes). De ce fait, l'hématite doit rester dans des proportions relativement basses (< 5%) au regard de ses propriétés abrasives. Le procédé de l'invention décrit ci-dessus présente d'autres avantages que ceux déjà mentionnés précédemment, en particulier les avantages suivants : - il permet un allègement de la masse des carters 35 cylindres, du fait de la suppression des chemises en fonte insérées à la coulée des carters, - il permet, pour les carters en fonte, une diminution des pertes mécaniques par frottements, - il permet également, pour les carters en fonte, une diminution de l'usure des segments, donc une diminution de la consommation d'huile et une diminution de l'émission de CO2, et par conséquent, également, une diminution de la consommation de carburant du véhicule, - il permet une absence de lames d'air entre les surfaces externes des inserts et les surfaces internes des fûts des carters cylindres, par conséquent il permet une meilleure conductivité thermique entre les inserts et les fûts, - il permet d'éviter les problèmes techniques liés à l'apport de matière par projection thermique, et - il est économique, car la réalisation d'inserts coniques est peu coûteuse. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté ci-dessus à titre d'exemple ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention, en particulier on peut envisager, à titre d'exemples, des inserts métalliques avec une conicité différente ou des inserts en forme d'obus. In the same way, molybdenum bases have a low coefficient of friction and the presence of elements, such as nickel and chromium, make it possible to harden them to improve their resistance to wear. Oxidation of molybdenum (molybdenum dioxide "MoO 2") also results in hardening of the material. Always for the realization of the insert, the bases "iron" can be considered if they contain wüstite (FeO) and magnetite (Fe304), which are hard and self-lubricating compounds allowing to bring to the matrix "iron »Good tribological properties, especially at the" high "and" low "dead spots of the drums where the wear of the shirts is mainly localized (zones of existence of a mixed lubrication). The oxide levels (wustite + magnetite) vary from approximately 10 to 30%. It should be noted that a third iron oxide may be present in the deposits: hematite (Fe203), which has abrasive properties only (no self-lubricating properties). As a result, the hematite must remain in relatively low proportions (<5%) with regard to its abrasive properties. The method of the invention described above has other advantages than those already mentioned above, in particular the following advantages: it allows lightening of the mass of the crankcases, because of the removal of inserted cast iron shirts when casting casings, - it allows, for cast iron casings, a reduction of the mechanical losses by friction, - it also allows, for the cast iron casings, a reduction of the wear of the segments, thus a reduction of the consumption of oil and a reduction of the CO2 emission, and consequently, also a reduction of the vehicle fuel consumption, - it allows an absence of air gaps between the external surfaces of the inserts and the internal surfaces of the vehicles. cylinders casings, therefore it allows a better thermal conductivity between the inserts and the barrels, - it makes it possible to avoid the technical problems related to the contribution of material by projecti it is thermal, and - it is economical, because the realization of conical inserts is inexpensive. Of course, the present invention is not limited to the embodiment described and shown above by way of example; other embodiments may be designed by those skilled in the art without departing from the scope and scope of the present invention, in particular it is possible to envisage, as examples, metal inserts with a different conicity or inserts in the form of shells.