FR3131746A1 - Pièce revêtue d’un matériau composite à matrice métallique et procédé d’obtention d’une telle pièce - Google Patents

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Abstract

Pièce comprenant un revêtement en matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.

Description

Pièce revêtue d’un matériau composite à matrice métallique et procédé d’obtention d’une telle pièce
La présente invention concerne, de manière générale, l’usure et le coefficient de frottements liés aux frottements de pièces telles que le carter cylindre d’un moteur à combustion de véhicule automobile et, plus précisément, l’application d’un revêtement pour améliorer la résistance à l’usure de telles pièces.
Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une pièce revêtue d’un matériau composite à matrice métallique et à un procédé d’obtention d’une telle pièce.
Dans un véhicule automobile, certaines pièces sont sujettes à des frottements importants et continus.
En particulier, le frottement des pistons sur le carter cylindre représente environ la moitié des frottements se produisant au niveau d’un moteur à combustion.
Une augmentation de la consommation en carburant du moteur à combustion résulte de ces frottements et a pour conséquence l’augmentation du taux d’émission de dioxyde de carbone par le véhicule automobile.
Classiquement, un revêtement est appliqué sur la surface d’alésage du carter cylindre et permet d’améliorer les propriétés de résistance à l’usure du carter cylindre liée aux frottements générés lors du déplacement des pistons.
En particulier, il est connu de former un revêtement en matériau composite à matrice métallique chargée en lubrifiants solides.
Malgré leur grand bénéfice face aux frottements, un tel revêtement est difficile à réaliser et la cohésion entre la matrice et les lubrifiants solides n’est pas satisfaisante. La structure en feuillets des lubrifiants solides fragilise voire empêche la cohésion entre les particules de la matrice métallique.
Une autre solution existante vise à former un revêtement ductile avec des renforts durs. A cet égard, des particules en matériau céramique, notamment alumine et zircone, sont incorporées à une matrice métallique, généralement en acier ou en aluminium.
Cependant, les particules céramiques dures sont néanmoins fragiles et finissent par se fracturer lors de l’application du revêtement et sous l’action des frottements. De plus, compte tenu de leur affinité limitée, les particules céramiques se détachent de la matrice métallique, ce qui conduit à une usure importante du carter cylindre.
Selon une technique conventionnelle, la surface d’alésage du carter cylindre est revêtu par un procédé de projection nommé « Bore spray coating ».
Cependant, le procédé de Bore Spray coating est difficile à industrialiser, coûteux et limite la nature des revêtements pouvant être utilisés.
L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un revêtement en matériau composite visant à améliorer les propriétés de résistance face à l’usure de frottement et les coefficients de frottement de la pièce sur lequel il est appliqué, pouvant être aisément fabriqué en grande série afin d’être industrialisé, peu coûteux, bénéficiant d’une cohésion entre matrice et renforts optimisée, et dont la ductilité est améliorée.
Il est donc proposé une pièce comprenant un revêtement en matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
Il a été constaté que la cohésion optimisée entre la matrice métallique et les renforts métalliques conduisait à l’obtention d’un revêtement aux propriétés de résistance à l’usure améliorées.
De plus, la ductilité et la dureté des renforts métalliques empêchent leur fracture et améliorent les propriétés de résistance à l’usure du revêtement.
L’invention concerne également à un procédé d’obtention d’une pièce revêtue d’un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv, et la matrice métallique et les renforts métalliques étant projetés sous forme de poudre sur la pièce par projection dynamique par gaz froid.
Par projection dynamique par gaz froid, on entend un procédé de métallisation, plus communément appelé « Cold Spray coating », dans lequel un matériau sous forme de poudre contenu dans une buse du type De Laval est projeté à vitesse supersonique sur une surface par un gaz sous pression. La température de fonctionnement est inférieure à 450°C en sortie de buse De Laval.
Il a été constaté que la projection par Cold Spray coating apportait un gain tribologique significatif en améliorant les propriétés de résistance à l’usure du revêtement.
De plus, la projection par Cold Spray coating apporte un gain notable pour l’industrialisation en grande série, notamment par une fabrication simple et peu coûteuse de pièces revêtues.
L’invention se rapporte aussi à un véhicule automobile comprenant une pièce revêtue d’un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
D’autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif.
Dans ce qui va suivre, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l’expression « compris entre ».
L’exemple développé ci-après se rapporte à un carter cylindre pour moteur à combustion d’un véhicule automobile comportant une surface d’alésage configurée pour coopérer avec une pluralité de pistons pour le fonctionnement du moteur à combustion.
La surface d’alésage est revêtue par un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
Selon un exemple de réalisation, le revêtement est appliqué sur une pièce en aluminium ou alliage d’aluminium.
On pourra prévoir que le revêtement soit appliqué sur une autre pièce de véhicule automobile sujettes à des frottements, lubrifiées ou non lubrifiées, ou une pièce n’appartenant pas à un véhicule automobile.
De préférence, la poudre projetée est sphérique et la granulométrie D50 de la poudre étant comprise entre 5 µm et 30 µm de façon à permettre un rendement industriel.
Plus préférentiellement, la granulométrie D50 de la poudre comprise entre 10 µm et 25 µm pour une projection optimale.
La présence de particules très fines inférieures à 1 µm est également, de préférence, évitée afin de présenter un débit de poudre homogène lors de la projection.
Matrice métallique
Selon un mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un acier.
Selon un exemple, le matériau de la matrice métallique peut consister en un acier.
L’acier possède des propriétés mécaniques suffisamment élevées pour éviter un affaissement des renforts métalliques dans la matrice métallique.
De préférence, la teneur en carbone de l’acier est inférieure à 0,1% en poids afin que la poudre de matrice métallique soit suffisamment ductile pour se déformer à l’impact lors de la projection dynamique par gaz froid.
Avantageusement, le matériau de la matrice métallique, qui selon un exemple peut être un acier, comprend en outre du chrome dont la teneur est comprise entre 0 et 16 % en poids, de préférence entre 10 et 16% en poids.
La présence de chrome permet d’améliorer les propriétés de résistance à l’usure de frottement du revêtement en évitant tout phénomène de grippage.
Selon un mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un acier comprenant entre 11,5 et 13,5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier inoxydable 410L, de structure ferritique.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un alliage cuivreux, par exemple du bronze ou du laiton.
L’acier inoxydable 410L et l’alliage cuivreux sont particulièrement adaptés pour être projetés par cold spray coating et leur dureté permet d’éviter un affaissement des renforts métalliques au sein de la matrice.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un alliage de cobalt ou un alliage de nickel.
Renforts métalliques
La dureté HV ou dureté Vickers des renforts est supérieure ou égale à 550 Hv, ce qui permet d’améliorer la résistance à l’usure du revêtement.
De préférence, la teneur des renforts dans le revêtement déposé est comprise entre 5 % et 30 %, de préférence comprise entre 8 % et 15 %
Dans un mode de réalisation, le matériau des renforts métalliques comprend de l’acier.
Selon un exemple, le matériau des renforts peut consister en un acier.
Selon un mode de réalisation, le matériau des renforts comprend un acier à outils répondant à la norme NF EN ISO 4957 et dont la ténacité et la dureté permettent d’améliorer la résistance à l’usure du revêtement.
Selon un exemple, le matériau des renforts peut comprendre un acier à outils comprenant entre 5,5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4,5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3,75 et 4,5 % en poids de chrome, entre 1,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0,8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier à outils M2.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau des renforts peut comprendre ou consister en acier comprenant entre 12 et 14 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de carbone, 0,04 % en poids d’oxygène, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier inoxydable 420.
On pourra prévoir que la pièce comprenne en outre un lubrifiant à la surface du revêtement en matériau composite.
On pourra également prévoir que le matériau composite à matrice métallique et renforts métalliques ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv puisse, en outre, comporter des renforts supplémentaires choisis parmi : des particules de cuivre ou d’alliage de cuivre, des particules de molybdène ou d’alliage de molybdène, des lubrifiants solides ou un mélange de ceux-ci.
L’apport de cuivre est particulièrement avantageux pour conférer des propriétés thermiques améliorées au revêtement.
L’apport de molybdène et de lubrifiants solides est particulièrement avantageux pour améliorer les propriétés de résistance à l’usure liée aux frottements et réduire le coefficient de frottement.
Exemple 1
Matrice métallique en acier inoxydable 410L
Le matériau de la matrice métallique est un acier de structure ferritique, connu sous la dénomination d’acier inoxydable 410L, et comprend 11,9 % en poids de chrome, 0,67 % en poids de manganèse, 0,56 % en poids de silicium, 0,014 % en poids de phosphore, 0,013 % en poids de carbone, 0,005 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l’acier inoxydable 410L est d’environ 335 Hv0,01.
La matrice métallique se présente sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 de 21,2 µm, D10 de 12,1 µm et D90 de 35,9 µm.
Renforts métalliques en acier à outils M2
Le matériau des renforts métalliques est un acier à outils connu sous la dénomination d’acier à outils M2, et comprend 6,29 % en poids de tungstène, 4,8 % en poids de molybdène, 4,31 % en poids de chrome, 1,97 % en poids de vanadium, 0,9 % en poids de carbone, 0,28 % en poids de silicium, 0,26 % en poids de manganèse, 0,024 % en poids de phosphore, 0,008 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l’acier à outils M2 est d’environ 719 Hv0,01.
Les renforts se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 de 22 µm, D10 de 13,7 µm et D90 de 33,7 µm.
Revêtement en matériau composite 410L+M2 obtenu
Le mélange de poudre comprenant 80% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 20% de renforts en acier à outils M2, contenu dans une buse du type De Laval, est projeté à la surface d’une pièce par projection dynamique par gaz froid dit « Cold Spray » à vitesse supersonique par un gaz sous pression.
La température et la pression de projection en amont de la buse De Laval sont respectivement supérieur à 800°C et 40 bar.
La teneur finale du revêtement appliqué sur la pièce est de 90% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 10% de renforts en acier à outils M2.
Il a été constaté que les particules dures de renforts en acier à outils M2 sont ancrés efficacement dans la matrice en acier inoxydable 410L, traduisant une cohésion importante entre la matrice et les renforts.
Des essais mécaniques localisés ont permis de montrer que la matrice en acier inoxydable 410L a des propriétés mécaniques suffisantes pour éviter l’enfoncement des renforts en acier à outils M2. En particulier, aucun affaissement de la matrice n’est observé pour des pressions de 1400 MPa, c’est-à-dire des valeurs de pression bien au-delà des pressions exercées dans un moteur à combustion.
Les essais mécaniques ont également permis de montrer que les bénéfices du revêtement 410L+M2 obtenu sur la résistance de la pièce face aux frottements sont significatifs.
Par conséquent, le revêtement en matériau composite à matrice en acier inoxydable 410L et renforts en acier à outils M2 est particulièrement adapté pour revêtir la surface d’alésage d’un carter cylindre.
Exemple 2
Matrice métallique en acier inoxydable 410L
La matrice métallique de l’exemple 2 est identique à la matrice métallique de l’exemple 1.
Renforts métalliques en acier inoxydable 420
Le matériau des renforts métalliques est un acier inoxydable connu sous la dénomination d’acier inoxydable 420, et comprend 12,9 % en poids de chrome, 0,7 % en poids de manganèse, 0,7 % en poids de silicium, 0,38 % en poids de carbone, 0,04 % en poids d’oxygène, 0,011 % en poids de phosphore, 0,008 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l’acier inoxydable 420 est d’environ 680 Hv0,01.
Les renforts se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 d’environ 22 µm.
Revêtement en matériau composite 410L+420 obtenu
Le mélange de poudre comprenant 80% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 20% de renforts en acier inoxydable 420.
La projection de la poudre de matériau composite comprenant la matrice métallique en acier inoxydable 410L et les renforts métalliques en acier inoxydable 420 est projeté sur la surface d’une pièce par projection dynamique par gaz froid dans des conditions identiques à l’exemple 1.
La teneur finale du revêtement appliqué sur la pièce est de 90% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 10% de renforts en acier inoxydable 420.
La cohésion importante entre l’acier inoxydable 410L et l’acier inoxydable 420 conduit à un ancrage efficacement des renforts dans la matrice.
Des essais mécaniques localisés ont permis de montrer des propriétés mécaniques suffisantes de la matrice métallique en acier inoxydable 410L pour éviter l’enfoncement des renforts en acier inoxydable 420. Le revêtement en matériau composite à matrice en acier inoxydable 410L et renforts en acier inoxydable 420 est particulièrement adapté pour revêtir la surface d’alésage d’un carter cylindre.
Les essais mécaniques ont également permis de montrer que les bénéfices du revêtement 410L+420 obtenu sur la résistance de la pièce face aux frottements sont significatifs.
Etude des propriétés de résistance à l’usure de trois revêtements
Les performances vis-à-vis de l’usure par frottement de trois revêtements ont été étudiés, dans une huile à une température de 20°C et à une température de 100°C.
Un premier revêtement est appliqué sur une première pièce par projection selon un procédé Bore Spray coating d’un acier de 13Mn6.
Le matériau 13Mn6 est un acier comprenant entre 1,6 et 1,8 % en poids de manganèse, entre 0,25 et 0,40 % en poids de silicium, entre 0,10 et 0,13 % en poids de carbone, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
Un deuxième revêtement est appliqué sur une deuxième pièce par projection selon un procédé Cold Spray coating d’une poudre d’acier inoxydable sans renforts.
Un troisième revêtement similaire à l’exemple 1, est appliqué sur une troisième pièce par projection selon un procédé Cold Spray coating d’une poudre de matériau composite comportant une matrice en acier inoxydable 410L et des renforts en acier à outils M2.
Résultats
Les résultats des tests d’usure effectués sur les trois revêtements à 20°C et 100°C sont présentés, respectivement, dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous.
Tableau 1 :
Température 20°C
Méthode de projection Bore Spray Cold Spray Cold Spray
Matériau revêtement 13Mn6 410L 410L+20%M2
Profondeur usure 1 µm 0,2 µm 0,2 µm
Largeur usure 0,95 µm 1,18 µm 1,14 µm
Etat usure Usure par abrasion moyenne Usure par abrasion faible Usure par abrasion faible
Tableau 2 :
Température 100°C
Méthode de projection Bore Spray Cold Spray Cold Spray
Matériau revêtement 13Mn6 410L 410L+20%M2
Profondeur usure 2,5 µm 14,9 µm 0,6 µm
Largeur usure 0,94 µm 1,89 µm 0,64 µm
Etat usure Usure par abrasion élevée Adhérence et grippage Usure par abrasion faible
D’après les résultats présentés dans le tableau 1, à 20°C, on constate que l’usure des deuxième et troisième revêtements appliqués par Cold spray coating est limitée par rapport au premier revêtement appliqué par Bore spray coating, traduisant un gain tribologique obtenu grâce au procédé Cold spray coating par rapport au procédé Bore spray coating. Néanmoins, à 20°C, les particules dures d’acier à outils M2 ne semblent pas indispensables.
En revanche, d’après les résultats présentés dans le tableau 2, à 100°C, le deuxième revêtement en acier inoxydable 410L sans renforts, c’est-à-dire sans particules dures, grippe, ce qui entraîne une usure très importante. L’ajout des particules dures en acier à outils M2 a permis d’empêcher le grippage et de limiter l’usure à des niveaux très superficiels comparés au premier revêtement appliqué par Bore spray coating.
Le troisième revêtement présente une durabilité augmentée et est particulièrement adaptée, selon un exemple, pour revêtir une surface d’alésage de carter cylindre de moteur à combustion.
Le coefficient de frottement des premier et troisième revêtements a également été comparé, dans une huile à 20°C et 100°C.
A 20°C, il a été constaté que le coefficient de frottement du troisième revêtement 410L+M2 est plus faible que celui du premier revêtement 13Mn6 à faible vitesse, mais que ceux-ci s’égalisent à plus haute vitesse.
En revanche, à 100°C, il a été constaté que le coefficient de frottement du troisième revêtement 410L+M2 est largement plus faible que celui du premier revêtement 13Mn6, et ceci sur toute la plage de vitesse opérée. La réduction observée est d’environ 70%, ce qui permet une réduction des émissions de CO2 importante lorsque le troisième revêtement revêt la surface d’alésage d’un carter cylindre de moteur à combustion.

Claims (13)

  1. Pièce comprenant un revêtement en matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
  2. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un acier.
  3. Pièce selon la revendication 2, dans laquelle la teneur en carbone de l’acier de la matrice métallique est inférieure à 0,1% en poids.
  4. Pièce selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans laquelle l’acier de la matrice métallique comprend du chrome, la teneur en chrome étant comprise entre 0 et 16% en poids.
  5. Pièce selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un acier comprenant entre 11,5 et 13,5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
  6. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un alliage cuivreux, tel que le bronze ou le laiton, un alliage de cobalt ou un alliage de nickel.
  7. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur en renforts métalliques est comprise entre 5 % et 30 %, de préférence comprise entre 8 % et 15 %.
  8. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau des renforts métalliques comprend un acier, de préférence un acier à outils.
  9. Pièce selon la revendication 8, dans laquelle le matériau des renforts comprend un acier comprenant entre 5,5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4,5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3,75 et 4,5 % en poids de chrome, entre 1,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0,8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0,15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
  10. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau composite du revêtement comporte en outre des renforts choisis parmi : des particules de cuivre ou d’alliage de cuivre, des particules de molybdène ou d’alliage de molybdène, des lubrifiants solides ou un mélange de ceux-ci.
  11. Procédé d’obtention d’une pièce revêtue d’un matériau composite selon l’une quelconque des revendications précédentes, la matrice métallique et les renforts métalliques étant projetés sous forme de poudre sur la pièce par projection dynamique par gaz froid.
  12. Procédé d’obtention selon la revendication 11, dans lequel la poudre projetée est sphérique, la granulométrie D50 de la poudre étant comprise entre 5 µm et 30 µm, de préférence comprise entre 10 µm et 25 µm.
  13. Véhicule automobile comprenant au moins une pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
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