FR3132716A1 - Textured composite material and associated method of manufacture - Google Patents

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Abstract

Matériau composite comprenant une matrice métallique (3) en alliage à base de fer ou de cuivre, des charges (4) en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique (3), et une texture de surface comportant des protubérances (5) formées par lesdites charges (4) mises en relief sur tout ou partie de la surface du matériau composite. Figure pour l’abrégé : figure 1Composite material comprising a metal matrix (3) made of an iron or copper-based alloy, fillers (4) made of material having a hardness greater than the hardness of the metal matrix (3), and a surface texture comprising protrusions ( 5) formed by said fillers (4) highlighted on all or part of the surface of the composite material. Figure for abstract: Figure 1

Description

Matériau composite texturé et procédé de fabrication associéTextured composite material and associated manufacturing process

La présente invention concerne, de manière générale, l’usure liée aux frottements entre deux solides et, plus précisément, l’optimisation des frottements entre deux solides pour diminuer les phénomènes d’usure, notamment dans un moteur à combustion de véhicule automobile en régime lubrifié.The present invention relates, in general, to wear linked to friction between two solids and, more precisely, to the optimization of friction between two solids to reduce wear phenomena, in particular in a motor vehicle combustion engine at operating speed. lubricated.

Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un matériau composite comportant une texture de surface et un procédé de fabrication d’un tel matériau composite.More particularly, the invention relates to a composite material comprising a surface texture and a method of manufacturing such a composite material.

De manière à réduire les frottements dans un moteur à combustion de véhicule automobile, tels que les frottements d’un piston dans l’alésage du cylindre, les huiles de lubrification généralement utilisées sont de plus en plus fluides.In order to reduce friction in a motor vehicle combustion engine, such as the friction of a piston in the cylinder bore, the lubricating oils generally used are increasingly fluid.

Cependant, la diminution de la viscosité de l’huile entraîne une augmentation des frottements entre les solides mis en œuvre, conduisant à leur usure prématurée.However, the reduction in oil viscosity leads to an increase in friction between the solids used, leading to their premature wear.

Classiquement, des additifs modificateurs de frottement, comme le ZnDDP ou le MoDTC, sont donc ajoutés aux huiles pour permettre la création de tribofilm ayant pour fonction de protéger les surfaces et ainsi améliorer le frottement.Conventionally, friction modifier additives, such as ZnDDP or MoDTC, are therefore added to oils to allow the creation of tribofilm whose function is to protect surfaces and thus improve friction.

Cependant, les matériaux et revêtements utilisés dans les moteurs pour les contacts frottant ne sont pas optimisés pour ces huiles à basse viscosité comportant ces additifs.However, the materials and coatings used in engines for rubbing contacts are not optimized for these low viscosity oils containing these additives.

L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un matériau composite permettant d’optimiser les frottements entre deux solides, notamment adapté aux frottements en régime lubrifié en présence d’une huile basse viscosité chargée en additifs modificateurs de frottement.The invention therefore aims to remedy these drawbacks and to propose a composite material making it possible to optimize friction between two solids, in particular adapted to friction in a lubricated regime in the presence of a low viscosity oil loaded with friction modifier additives.

Il est donc proposé un procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une matrice métallique en alliage à base de fer ou de cuivre, et des charges en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique, le procédé comprenant l’élaboration d’une texture de surface comportant la formation de protubérances par mise en relief desdites charges sur tout ou partie de la surface du matériau composite par abrasion mécanique ou attaque chimique.It is therefore proposed a process for manufacturing a composite material comprising a metal matrix made of an alloy based on iron or copper, and material fillers having a hardness greater than the hardness of the metal matrix, the process comprising the development a surface texture comprising the formation of protuberances by highlighting said charges on all or part of the surface of the composite material by mechanical abrasion or chemical attack.

Le matériau des charges possède des propriétés de résistance mécanique à l’abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface du matériau composite.The filler material has mechanical resistance properties to mechanical abrasion or chemical attack carried out on all or part of the surface of the composite material.

Au contraire, la matrice métallique, de dureté inférieure à la dureté du matériau des charges, ne possède pas des propriétés de résistance mécanique suffisantes lui permettant de résister à l’abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface du matériau composite.On the contrary, the metal matrix, of hardness lower than the hardness of the filler material, does not have sufficient mechanical resistance properties allowing it to resist mechanical abrasion or chemical attack carried out on all or part of the surface of the composite material. .

De préférence, la dureté du matériau des charges est supérieure ou égale à 550 Hv.Preferably, the hardness of the material of the fillers is greater than or equal to 550 Hv.

Selon un mode de mise en œuvre, la matrice métallique est réalisée en acier, de préférence l’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.According to one embodiment, the metal matrix is made of steel, preferably steel comprising between 11.5 and 13.5% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1 % by weight of silicon, between 0 and 0.04% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of carbon, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron.

Avantageusement, les charges peuvent être réalisées en un matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement 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.Advantageously, the charges can be made of a metallic material, preferably a steel, more preferably a tool steel comprising between 5.5 and 6.75% by weight of tungsten, between 4.5 and 5.5% by weight of molybdenum, between 3.75 and 4.5% by weight of chromium, between 1.75 and 2.20% by weight of vanadium, between 0.8 and 1% by weight of carbon, between 0.20 and 0.45 % by weight of silicon, between 0.15 and 0.4% by weight of manganese, between 0 and 0.03% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron.

L’invention se rapporte également à un procédé de dépôt d’un matériau composite comme défini précédemment sur un substrat pour former un revêtement, dans lequel le dépôt est réalisé par projection thermique, tel que par projection dynamique par gaz froid, plasma ou flamme d'oxygène à haute vitesse, ou réalisé par rechargement laser.The invention also relates to a method of depositing a composite material as defined above on a substrate to form a coating, in which the deposition is carried out by thermal projection, such as by dynamic projection by cold gas, plasma or flame. high-speed oxygen, or produced by laser reloading.

L’invention concerne également un matériau composite comprenant une matrice métallique en alliage à base de fer ou de cuivre, des charges en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique, et une texture de surface comportant des protubérances formées par lesdites charges mises en relief sur tout ou partie de la surface du matériau composite.The invention also relates to a composite material comprising a metal matrix made of an iron or copper-based alloy, material fillers having a hardness greater than the hardness of the metal matrix, and a surface texture comprising protrusions formed by said fillers highlighted on all or part of the surface of the composite material.

Avantageusement, la matrice métallique peut être en acier, de préférence 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.Advantageously, the metal matrix can be made of steel, preferably a steel comprising between 11.5 and 13.5% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1% by weight of silicon, between 0 and 0.04% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of carbon, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron.

Avantageusement, les charges peuvent être en matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement 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.Advantageously, the fillers can be made of a metallic material, preferably a steel, more preferably a tool steel comprising between 5.5 and 6.75% by weight of tungsten, between 4.5 and 5.5% by weight of molybdenum, between 3.75 and 4.5% by weight of chromium, between 1.75 and 2.20% by weight of vanadium, between 0.8 and 1% by weight of carbon, between 0.20 and 0.45% by weight weight of silicon, between 0.15 and 0.4% by weight of manganese, between 0 and 0.03% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron.

L’invention concerne également un substrat revêtu d’un matériau composite comme décrit précédemment.The invention also relates to a substrate coated with a composite material as described above.

L’invention se rapporte aussi à un système comprenant une première pièce comportant un matériau composite comme décrit précédemment, tout ou partie des protubérances dudit matériau composite étant disposé en regard d’une deuxième pièce, et une huile de viscosité inférieure ou égale à 5W30 disposée entre ledit matériau composite et la deuxième pièce.The invention also relates to a system comprising a first part comprising a composite material as described above, all or part of the protuberances of said composite material being arranged opposite a second part, and an oil with a viscosity less than or equal to 5W30 arranged between said composite material and the second part.

Par huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, on entend une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5 mesurée en centistokes à -18°C et de viscosité inférieure ou égale à 30 mesurée en centistokes à 100°C.By lubricating oil with a viscosity less than or equal to 5W30, we mean a lubricating oil with a viscosity less than or equal to 5 measured in centistokes at -18°C and a viscosity less than or equal to 30 measured in centistokes at 100°C.

Selon une caractéristique, tout ou partie des protubérances dudit matériau composite étant disposé au contact de la deuxième pièce, et ladite huile comprend au moins un additif modificateur de frottement, de préférence choisi parmi le ZnDDP et le MoDTC.According to one characteristic, all or part of the protuberances of said composite material being placed in contact with the second part, and said oil comprises at least one friction modifier additive, preferably chosen from ZnDDP and MoDTC.

Selon un mode de réalisation, la première pièce peut être un élément de frottement d’un véhicule automobile, tel qu’un alésage de cylindre, un palier, un palier de vilebrequin, un palier d’arbre à cames ou une came.According to one embodiment, the first part can be a friction element of a motor vehicle, such as a cylinder bore, a bearing, a crankshaft bearing, a camshaft bearing or a cam.

L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant un matériau composite comme décrit précédemment.The invention also relates to a motor vehicle comprising a composite material as described above.

D’autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :Other purposes, advantages and characteristics will emerge from the description which follows, given for purely illustrative purposes and made with reference to the appended drawings in which:

est une vue en coupe d’un alésage de cylindre pour moteur à combustion de véhicule automobile selon un mode de réalisation de l’invention. is a sectional view of a cylinder bore for a motor vehicle combustion engine according to one embodiment of the invention.

, , et illustrent un système comprenant un alésage de cylindre en matériau composite texturé au contact d’un piston, représenté respectivement à instant T0, T1, T2 et T3. , , And illustrate a system comprising a cylinder bore made of textured composite material in contact with a piston, represented respectively at times T0, T1, T2 and T3.

représente l’évolution du coefficient de frottement en fonction du temps mesurée lors d’un essai de frottement pion-plan alternatif. represents the evolution of the friction coefficient as a function of time measured during an alternating pin-plane friction test.

Dans ce qui va suivre, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l’expression « compris entre ».In what follows, the limits of a domain of values are included in this domain, in particular in the expression “between”.

Par ailleurs, l’expression « au moins un » utilisée dans la présente description est équivalente à l’expression « un ou plusieurs ».Furthermore, the expression “at least one” used in this description is equivalent to the expression “one or more”.

La illustre une première pièce 1 comprenant un revêtement 2 en un matériau composite comportant une matrice métallique 3, des charges 4 et une texture de surface comportant des protubérances 5.There illustrates a first part 1 comprising a coating 2 made of a composite material comprising a metal matrix 3, fillers 4 and a surface texture comprising protuberances 5.

Dans l’exemple développé ci-après, la première pièce 1 est un alésage de cylindre de moteur à combustion de véhicule automobile destiné à coopérer avec une deuxième pièce 6 formée par un piston.In the example developed below, the first part 1 is a cylinder bore of a motor vehicle combustion engine intended to cooperate with a second part 6 formed by a piston.

Selon un autre mode de réalisation, la première pièce 1 peut être un autre élément de frottement, par exemple un palier, un palier de vilebrequin, un palier d’arbre à cames ou encore une came de véhicule automobile.According to another embodiment, the first part 1 can be another friction element, for example a bearing, a crankshaft bearing, a camshaft bearing or even a motor vehicle cam.

La matrice métallique 3 est formée par un alliage choisi parmi un alliage à base de fer, ou d’un alliage à base de cuivre.The metal matrix 3 is formed by an alloy chosen from an iron-based alloy, or a copper-based alloy.

En outre, les charges 4 sont formées en un matériau dont la dureté est supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique.In addition, the fillers 4 are formed of a material whose hardness is greater than the hardness of the material of the metal matrix.

De plus, la texture de surface comporte des protubérances 5 formées par les charges 4 mises en relief sur une surface du matériau composite.In addition, the surface texture includes protrusions 5 formed by the charges 4 highlighted on a surface of the composite material.

Selon un aspect, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une matrice métallique 3 en alliage à base de fer ou de cuivre, et des charges 4 en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique.According to one aspect, the invention relates to a method of manufacturing a composite material comprising a metal matrix 3 made of an alloy based on iron or copper, and fillers 4 made of material having a hardness greater than the hardness of the matrix metallic.

En outre, le procédé de fabrication comprend l’élaboration d’une texture comportant la formation de protubérances 5 par mise en relief des charges 4 sur tout ou partie de la surface du matériau composite.In addition, the manufacturing process includes the development of a texture comprising the formation of protuberances 5 by highlighting the fillers 4 on all or part of the surface of the composite material.

Par protubérance, on entend une éminence ou saillie formée par une charge 4 du matériau composite à partir d’une surface du matériau composite.By protuberance is meant an eminence or projection formed by a load 4 of the composite material from a surface of the composite material.

L’élaboration de la texture est réalisée par abrasion mécanique ou attaque chimique.The texture is developed by mechanical abrasion or chemical attack.

L’abrasion mécanique peut être réalisée à partir d’au moins un procédé parmi : un procédé de rodage, de polissage ou de toilage. Une portion de la matrice métallique 3 est ainsi retirée mécaniquement de façon à laisser apparaître les charges 4 présentent à la surface 2a du revêtement 2.Mechanical abrasion can be carried out using at least one of: a lapping, polishing or smoothing process. A portion of the metal matrix 3 is thus mechanically removed so as to reveal the charges 4 present on the surface 2a of the coating 2.

La mise en relief des charges 4 pour former des protubérances 5 par voie chimique peut être réalisée en utilisant une solution permettant de dissoudre le matériau de la matrice métallique 3 au niveau de la surface 2a du matériau composite, sans dissoudre le matériau des protubérances 5.The highlighting of the charges 4 to form protrusions 5 by chemical means can be carried out by using a solution making it possible to dissolve the material of the metal matrix 3 at the level of the surface 2a of the composite material, without dissolving the material of the protrusions 5.

En outre, les charges 4 sont formées en un matériau dont la dureté est supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique.In addition, the fillers 4 are formed of a material whose hardness is greater than the hardness of the material of the metal matrix.

La dureté de la matrice métallique 3 ne confère pas des propriétés de résistance mécanique suffisantes pour résister à l’abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface 2a du matériau composite.The hardness of the metal matrix 3 does not confer sufficient mechanical resistance properties to resist mechanical abrasion or chemical attack carried out on all or part of the surface 2a of the composite material.

Au contraire, la dureté du matériau des charges 4 confère aux charges 4 des propriétés de résistance mécanique à l’abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface 2a du matériau composite.On the contrary, the hardness of the material of the fillers 4 gives the fillers 4 properties of mechanical resistance to mechanical abrasion or chemical attack carried out on all or part of the surface 2a of the composite material.

De cette façon, lors de l’étape d’abrasion mécanique ou attaque chimique, seule la matrice métallique est retirée, laissant apparaître les charges 4 disposées en surface du matériau composite, et formant ainsi des protubérances 5 faisant saillie depuis la surface 2a du matériau composite.In this way, during the mechanical abrasion or chemical attack step, only the metal matrix is removed, revealing the charges 4 arranged on the surface of the composite material, and thus forming protuberances 5 projecting from the surface 2a of the material. composite.

Afin de permettre aux charges 4 de résister à l’abrasion mécanique ou attaque chimique, la valeur minimale de dureté du matériau des charges 4 est, de préférence, égale à 550 Hv.In order to allow the fillers 4 to resist mechanical abrasion or chemical attack, the minimum hardness value of the material of the fillers 4 is preferably equal to 550 Hv.

De préférence, la matrice métallique 3 comprend un acier, plus préférentiellement 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, connu sous la dénomination d’acier inoxydable 410L et de structure ferritique.Preferably, the metal matrix 3 comprises a steel, more preferably a steel comprising between 11.5 and 13.5% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1% by weight of silicon, between 0 and 0.04% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of carbon, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron, known as 410L stainless steel and ferritic structure.

Les charges 4, et par conséquent les protubérances 5, sont faites à partir de matériaux de dureté supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique 3. Le différentiel de dureté permet une mise en relief naturelle et facilitée lors de l’abrasion mécanique ou attaque chimique.The charges 4, and consequently the protuberances 5, are made from materials of hardness greater than the hardness of the material of the metal matrix 3. The hardness differential allows natural and easier relief during mechanical abrasion or chemical attack.

De préférence, les charges 3 sont réalisées en un matériau métallique à base de fer, plus préférentiellement en acier. Les matériaux à base de fer permettent d’obtenir de bonnes réactions dans des applications en régime lubrifié, notamment avec des additifs modificateurs de frottement ajoutés à des huiles de lubrification et facilite la création d’un tribofilm.Preferably, the charges 3 are made of a metallic material based on iron, more preferably steel. Iron-based materials make it possible to obtain good reactions in lubricated applications, particularly with friction modifier additives added to lubricating oils, and facilitate the creation of a tribofilm.

Le matériau des charges 4 peut comprendre un acier à outils répondant à la norme NF EN ISO 4957, tel qu’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.The material of the charges 4 may comprise a tool steel meeting the NF EN ISO 4957 standard, such as a tool steel comprising between 5.5 and 6.75% by weight of tungsten, between 4.5 and 5.5 % by weight of molybdenum, between 3.75 and 4.5% by weight of chromium, between 1.75 and 2.20% by weight of vanadium, between 0.8 and 1% by weight of carbon, between 0.20 and 0.45% by weight of silicon, between 0.15 and 0.4% by weight of manganese, between 0 and 0.03% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron, generally known as M2 tool steel.

La teneur massique de chaque élément chimique est indiquée par rapport au poids total de l’acier considéré.The mass content of each chemical element is indicated in relation to the total weight of the steel considered.

Selon un autre mode de réalisation, les charges 4 peuvent être réalisées en un matériau métallique à base de Nickel ou à base de Cobalt.According to another embodiment, the charges 4 can be made of a metallic material based on Nickel or based on Cobalt.

Selon un autre mode de réalisation, les charges 4 peuvent être réalisées en un matériau céramique, par exemple Al2O3, TiO2, ZrO2, ou Cr2O3.According to another embodiment, the fillers 4 can be made of a ceramic material, for example Al2O3, TiO2, ZrO2, or Cr2O3.

De préférence, le diamètre moyen ou diamètre équivalent moyen des protubérances 5 est compris entre 5µm et 200µm.Preferably, the average diameter or average equivalent diameter of the protuberances 5 is between 5µm and 200µm.

La forme des protubérances 5 peut être sphérique, irrégulière ou former des segments sphériques.The shape of the protuberances 5 can be spherical, irregular or form spherical segments.

Dans l’exemple illustré à la , les charges 4 sont des particules sensiblement sphériques de sorte que les protubérances 5 sont également sphériques ou formant des segments sphériques.In the example illustrated in , the charges 4 are substantially spherical particles so that the protuberances 5 are also spherical or forming spherical segments.

L’obtention de segments sphériques peut être le résultat de l’étape d’élaboration de la texture, notamment lorsque celle-ci est réalisée par abrasion mécanique, et/ou le résultat des frottements entre les première et deuxième pièces 1 et 6, conduisant à l’aplanissement des charges 4 faisant saillie à la surface 2a du revêtement en matériau composite.Obtaining spherical segments can be the result of the step of developing the texture, in particular when this is produced by mechanical abrasion, and/or the result of friction between the first and second parts 1 and 6, leading to the flattening of the loads 4 protruding from the surface 2a of the composite material covering.

De préférence, le ratio entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du matériau composite est compris entre 4% et 30%.Preferably, the ratio between protuberances 5 and metal matrix 3 on the surface 2a of the composite material is between 4% and 30%.

De préférence, la différence de hauteur moyenne entre les protubérances 5 et la surface 2a texturée du matériau composite est comprise entre 0,02µm et 2µm.Preferably, the average height difference between the protuberances 5 and the textured surface 2a of the composite material is between 0.02µm and 2µm.

De préférence, la rugosité Rz de la surface 2a du matériau composite est comprise entre en 0,1µm et 1µm.Preferably, the roughness Rz of the surface 2a of the composite material is between 0.1 μm and 1 μm.

Un autre aspect de l’invention se rapporte à un procédé de dépôt d’un matériau composite comme décrit précédemment sur un substrat pour former un revêtement 2.Another aspect of the invention relates to a method of depositing a composite material as described above on a substrate to form a coating 2.

Selon un mode de réalisation, le dépôt peut être réalisé par projection thermique, tel que par projection dynamique par gaz froid, plasma ou encore flamme d'oxygène à haute vitesse dit projection HVOF pour « High Velocity Oxygen Fuel ».According to one embodiment, the deposition can be carried out by thermal projection, such as by dynamic projection by cold gas, plasma or even high speed oxygen flame called HVOF projection for “High Velocity Oxygen Fuel”.

Selon un autre mode de réalisation, le dépôt peut être réalisé par une technique de rechargement laser, également connu sous le nom de « Laser Cladding ».According to another embodiment, the deposition can be carried out by a laser cladding technique, also known as “Laser Cladding”.

Dans l’exemple illustré, le matériau composite prend la forme d’un revêtement 2, et le dépôt du revêtement 2 en matériau composite sur le substrat, qui dans cet exemple est la première pièce 1 formé par un alésage de cylindre, est réalisé par projection dynamique par gaz froid.In the example illustrated, the composite material takes the form of a coating 2, and the deposition of the coating 2 in composite material on the substrate, which in this example is the first part 1 formed by a cylinder bore, is carried out by dynamic projection by cold gas.

Par projection dynamique par gaz froid, on entend un procédé de métallisation, plus communément appelé « Cold Spray coating » dans lequel un gaz est accéléré à des vitesses supersoniques dans une buse du type « De Laval ». Le matériau composite métallique sous forme de poudre est introduit dans une partie haute pression de la buse et projetée vers le substrat.By dynamic projection by cold gas, we mean a metallization process, more commonly called “Cold Spray coating” in which a gas is accelerated to supersonic speeds in a “De Laval” type nozzle. The metal composite material in powder form is introduced into a high pressure part of the nozzle and projected towards the substrate.

Au-dessus d’une certaine vitesse, qui est caractéristique pour chaque couple matériau projeté/substrat, les particules forment à l’impact un revêtement 2 dense et très adhérent.Above a certain speed, which is characteristic for each sprayed material/substrate pair, the particles form a dense and very adherent coating 2 on impact.

Pour cela, les particules doivent subir une déformation plastique. Le gaz de propulsion est chauffé. Lorsque sa température augmente, la vitesse du gaz croît, ce qui accélère les particules. L’augmentation relative de la température des particules de la poudre participe à leur déformation au point d’impact.For this, the particles must undergo plastic deformation. The propellant gas is heated. When its temperature increases, the speed of the gas increases, which accelerates the particles. The relative increase in the temperature of the powder particles contributes to their deformation at the point of impact.

Le dépôt par projection dynamique à gaz froid conduit à une microstructure homogène du matériau composite métallique avec un taux de porosité bas et un ancrage important sur le substrat.Deposition by cold gas dynamic spraying leads to a homogeneous microstructure of the metallic composite material with a low porosity rate and significant anchoring to the substrate.

La technique de projection dynamique par gaz froid qui permet d’obtenir un matériau composite comprenant des charges 4 réparties de façon homogène dans la matrice métallique 3, conduit ainsi à une répartition homogène des protubérances 5 à la surface 2a du revêtement 2.The dynamic projection technique using cold gas which makes it possible to obtain a composite material comprising charges 4 distributed homogeneously in the metal matrix 3, thus leads to a homogeneous distribution of the protuberances 5 on the surface 2a of the coating 2.

Selon une alternative, la première pièce 1 peut être formée par un matériau massif en matériau composite.According to an alternative, the first part 1 can be formed by a solid material made of composite material.

Le matériau massif en matériau composite peut être réalisé par fonderie ou par frittage de poudres.The solid composite material can be made by foundry or by powder sintering.

Les figures 2A, 2B, 2C et 2D illustrent un système comprenant un alésage de cylindre comportant un revêtement 2 en matériau composite disposé en regard d’un piston, représenté à différents temps T0, T1, T2 et T3.Figures 2A, 2B, 2C and 2D illustrate a system comprising a cylinder bore comprising a coating 2 of composite material arranged opposite a piston, represented at different times T0, T1, T2 and T3.

L’alésage et le piston, formant des première et deuxième pièces 1 et 6, sont en contact de sorte que le piston forme un élément frottant contre le matériau composite. Les protubérances 5 du matériau composite texturé sont disposées en regard du piston.The bore and the piston, forming first and second parts 1 and 6, are in contact so that the piston forms an element rubbing against the composite material. The protuberances 5 of the textured composite material are arranged opposite the piston.

Selon un exemple, la deuxième pièce 6 peut être formée par un matériau comprenant de l’acier. Le matériau de la deuxième pièce 6 peut être traité ou non traité, et peut être revêtu ou non revêtu.According to one example, the second part 6 can be formed by a material comprising steel. The material of the second part 6 may be treated or untreated, and may be coated or uncoated.

De plus, une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, comprenant au moins un additif modificateur de frottement, est disposée entre l’alésage et le piston pour la formation de film protecteur également nommé tribofilm.In addition, a lubricating oil with a viscosity less than or equal to 5W30, comprising at least one friction modifier additive, is placed between the bore and the piston for the formation of a protective film also called tribofilm.

Par 5W30, on entend une huile où 5 correspond à la viscosité à -18°C mesurée en centistokes et 30 correspond à la viscosité mesurée à 100°C en centistokes.By 5W30, we mean an oil where 5 corresponds to the viscosity at -18°C measured in centistokes and 30 corresponds to the viscosity measured at 100°C in centistokes.

Par huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, on entend une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5 mesurée en centistokes à -18°C et de viscosité inférieure ou égale à 30 mesurée en centistokes à 100°C.By lubricating oil with a viscosity less than or equal to 5W30, we mean a lubricating oil with a viscosity less than or equal to 5 measured in centistokes at -18°C and a viscosity less than or equal to 30 measured in centistokes at 100°C.

Selon un exemple, l’huile de lubrification est une huile de viscosité inférieure ou égale à l’huile 0W20 où 0 correspond à la viscosité à -18°C mesurée en centistokes et 20 correspond à la viscosité mesurée à 100°C en centistokes.According to one example, the lubricating oil is an oil with a viscosity less than or equal to 0W20 oil where 0 corresponds to the viscosity at -18°C measured in centistokes and 20 corresponds to the viscosity measured at 100°C in centistokes.

De préférence, les additifs modificateurs de frottement sont choisis parmi le ZnDDP et le MoDTC.Preferably, the friction modifier additives are chosen from ZnDDP and MoDTC.

Le système est illustré aux figures 2A à 2C dans un régime de lubrification limite, mixte ou élastohydrodynamique dans lequel l’alésage de cylindre et le piston sont en contact.The system is illustrated in Figures 2A to 2C in a boundary, mixed, or elastohydrodynamic lubrication regime in which the cylinder bore and piston are in contact.

La illustre le système dans un état initial à l’instant T0.There illustrates the system in an initial state at time T0.

Comme cela est illustré sur la , à l’instant T1, du tribofilm se forme sur les protubérances 5. Le tribofilm se forme sous l’effet de la pression et du cisaillement dans le contact tribologique à partir des additifs modificateurs de frottement. Une fois celui-ci formé, le coefficient de frottement se stabilise.As illustrated in the , at time T1, tribofilm forms on the protrusions 5. The tribofilm forms under the effect of pressure and shear in the tribological contact from the friction modifier additives. Once this is formed, the coefficient of friction stabilizes.

A l’instant T2, illustré à la , du tribofilm se forme également dans les vallées, c’est-à-dire sur la matrice métallique 3 disposée entre les protubérances 5, soit par formation directement dans celles-ci, soit par formation sur les protubérances 5 puis balayage dans les vallées.At time T2, illustrated in , tribofilm is also formed in the valleys, that is to say on the metal matrix 3 placed between the protuberances 5, either by formation directly in them, or by formation on the protuberances 5 then scanning in the valleys.

Enfin, à l’instant T3, illustré à la , le tribofilm est totalement ou partiellement éliminé des protubérances 5. Le tribofilm dans les vallées arrive donc à hauteur des protubérances 5 et le système est stabilisé. Le coefficient de frottement est très bas et il n’y a plus d’usure liée aux frottements entre l’alésage de cylindre et le piston.Finally, at time T3, illustrated in , the tribofilm is totally or partially eliminated from the protuberances 5. The tribofilm in the valleys therefore reaches the height of the protuberances 5 and the system is stabilized. The coefficient of friction is very low and there is no longer any wear linked to friction between the cylinder bore and the piston.

Exemple 1Example 1

Une première pièce 1 est revêtue par un revêtement 2 en matériau composite comportant une matrice métallique 3 en acier inoxydable 410L de structure ferritique et de dureté moyenne de 335 Hv0,01, et des charges 4 en acier à outils M2 de dureté moyenne de 719 Hv0,01.A first part 1 is covered by a coating 2 of composite material comprising a metal matrix 3 of 410L stainless steel with a ferritic structure and an average hardness of 335 Hv 0.01 , and loads 4 made of M2 tool steel with an average hardness of 719 Hv 0.01 .

Le revêtement 2 a été déposé par projection dynamique par gaz froid.Coating 2 was deposited by dynamic projection using cold gas.

L’élaboration d’une texture à la surface 2a du revêtement 2 a ensuite été réalisée par polissage en utilisant un abrasif SiC1200.The development of a texture on surface 2a of coating 2 was then carried out by polishing using a SiC1200 abrasive.

Le matériau composite texturé obtenu présente une rugosité Rz de 0,5µm et un taux de porosités de 3%.The textured composite material obtained has a roughness Rz of 0.5µm and a porosity rate of 3%.

Le diamètre moyen des particules de charges 4 est de 22µm et les charges 4 ont une forme quasi-sphérique.The average diameter of the particles of charges 4 is 22µm and the charges 4 have a quasi-spherical shape.

Le ratio entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du revêtement 2 en matériau composite est de 11,1%.The ratio between protuberances 5 and metal matrix 3 on the surface 2a of the coating 2 in composite material is 11.1%.

La différence de hauteur moyenne entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du revêtement 2 en matériau composite est de 102nm.The average height difference between protuberances 5 and metal matrix 3 on surface 2a of coating 2 in composite material is 102 nm.

La surface 2a du revêtement 2 en matériau composite a été soumise à un essai de frottement pion-plan alternatif, face à un contre-échantillon en acier 100C6 et dans un bain d’huile 0W16 contenant des additifs modificateurs de frottement ZnDDP et MoDTC.Surface 2a of coating 2 in composite material was subjected to an alternative pin-plane friction test, facing a counter-sample of 100C6 steel and in a 0W16 oil bath containing friction modifier additives ZnDDP and MoDTC.

La représente l’évolution du coefficient de frottement en fonction du temps.There represents the evolution of the friction coefficient as a function of time.

On peut voir sur la que l’instant T3 dans lequel le système est stabilisé est atteint après seulement 800 secondes d’essai. Le frottement s’effectue sur les protubérances 5 et sur le tribofilm qui protège la matrice métallique 3. Le coefficient de frottement est extrêmement faible et stable dans le temps. L’usure est rendue quasiment nulle grâce au tribofilm ainsi formé.We can see on the that the instant T3 in which the system is stabilized is reached after only 800 seconds of testing. Friction takes place on the protuberances 5 and on the tribofilm which protects the metal matrix 3. The coefficient of friction is extremely low and stable over time. Wear is virtually zero thanks to the tribofilm thus formed.

La texturation du matériau composite comprenant les protubérances 5 permet donc une forte amélioration de la performance des moteurs à combustion, et par conséquent une réduction de leurs émissions de CO2, grâce à la réduction du frottement.The texturing of the composite material comprising the protuberances 5 therefore allows a significant improvement in the performance of combustion engines, and consequently a reduction in their CO2 emissions, thanks to the reduction in friction.

Elle permet en outre une durabilité augmentée des première et deuxième pièces 1 et 6 impliquées dans le frottement grâce à la protection par tribofilm qui conduit à une diminution de l’usure.It also allows increased durability of the first and second parts 1 and 6 involved in friction thanks to tribofilm protection which leads to a reduction in wear.

Dans un régime hydrodynamique (non représenté), dans lequel l’alésage de cylindre et le piston ne se touchent pas, c’est l’huile qui exerce le frottement en fonction de son épaisseur.In a hydrodynamic regime (not shown), in which the cylinder bore and the piston do not touch, it is the oil which exerts the friction depending on its thickness.

Dans le cas des frottements en régime hydrodynamique, les deux solides du système ne sont pas en contact car l’épaisseur de l’huile est importante, par exemple en milieu de course dans le cylindre où la vitesse du piston est très élevée. Les frottements sont alors dus au cisaillement de l’huile. Plus l’épaisseur de film d’huile est grande, plus les forces nécessaires sont importantes, et par conséquent plus le coefficient de frottement est important.In the case of friction in hydrodynamic regime, the two solids of the system are not in contact because the thickness of the oil is significant, for example in the middle of the stroke in the cylinder where the speed of the piston is very high. The friction is then due to the shearing of the oil. The greater the oil film thickness, the greater the forces required, and therefore the greater the coefficient of friction.

En régime hydrodynamique, il n’y a pas de formation de tribofilm car les solides ne sont pas en contact. La texture initiale formée par les protubérances 5 ne sera donc pas modifiée. La présence des protubérances 5 du matériau composite permet des réductions locales des forces de cisaillement.In hydrodynamic regime, there is no formation of tribofilm because the solids are not in contact. The initial texture formed by the protuberances 5 will therefore not be modified. The presence of protuberances 5 of the composite material allows local reductions in shear forces.

En régime de lubrification où les première et deuxième pièces 1 et 6 se touchent, les protubérances 6 du matériau composite texturé permettent donc la formation d’un tribofilm et ainsi une réduction des frottements.In a lubrication regime where the first and second parts 1 and 6 touch, the protuberances 6 of the textured composite material therefore allow the formation of a tribofilm and thus a reduction in friction.

En régime de lubrification où les première et deuxième pièces 1 et 6 ne se touchent pas, les protubérances 6 du matériau composite texturé permettent une réduction des forces de cisaillement et ainsi également une réduction des frottements.In a lubrication regime where the first and second parts 1 and 6 do not touch, the protuberances 6 of the textured composite material allow a reduction in shear forces and thus also a reduction in friction.

Claims (12)

Procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une matrice métallique (3) en alliage à base de fer ou de cuivre, et des charges (4) en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique (3), le procédé comprenant l’élaboration d’une texture de surface comportant la formation de protubérances (5) par mise en relief desdites charges (4) sur tout ou partie de la surface du matériau composite par abrasion mécanique ou attaque chimique.Method for manufacturing a composite material comprising a metal matrix (3) made of iron or copper-based alloy, and fillers (4) made of material having a hardness greater than the hardness of the metal matrix (3), the method comprising the development of a surface texture comprising the formation of protuberances (5) by highlighting said fillers (4) on all or part of the surface of the composite material by mechanical abrasion or chemical attack. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la matrice métallique (3) est réalisée en acier, de préférence 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.Method according to claim 1, in which the metal matrix (3) is made of steel, preferably a steel comprising between 11.5 and 13.5% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1% by weight of silicon, between 0 and 0.04% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of carbon, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les charges (4) sont réalisées en un matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement 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.Method according to claim 1 or 2, in which the charges (4) are made of a metallic material, preferably a steel, more preferably a tool steel comprising between 5.5 and 6.75% by weight of tungsten, between 4 .5 and 5.5% by weight of molybdenum, between 3.75 and 4.5% by weight of chromium, between 1.75 and 2.20% by weight of vanadium, between 0.8 and 1% by weight of carbon, between 0.20 and 0.45% by weight of silicon, between 0.15 and 0.4% by weight of manganese, between 0 and 0.03% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of weight of sulfur and the rest of iron. Procédé de dépôt d’un matériau composite selon l’une quelconque des revendications précédentes sur un substrat (1) pour former un revêtement (2), dans lequel le dépôt est réalisé par projection thermique, tel que par projection dynamique par gaz froid, plasma ou flamme d'oxygène à haute vitesse, ou réalisé par rechargement laser.Method for depositing a composite material according to any one of the preceding claims on a substrate (1) to form a coating (2), in which the deposition is carried out by thermal spraying, such as by dynamic spraying by cold gas, plasma or high-speed oxygen flame, or made by laser cladding. Matériau composite comprenant une matrice métallique (3) en alliage à base de fer ou de cuivre, des charges (4) en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique (3), et une texture de surface comportant des protubérances (5) formées par lesdites charges (4) mises en relief sur tout ou partie de la surface du matériau composite.Composite material comprising a metal matrix (3) made of iron or copper-based alloy, fillers (4) made of material having a hardness greater than the hardness of the metal matrix (3), and a surface texture comprising protuberances ( 5) formed by said fillers (4) raised on all or part of the surface of the composite material. Matériau composite selon la revendication 5, dans lequel la matrice métallique (3) est en acier, de préférence 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.Composite material according to claim 5, in which the metal matrix (3) is made of steel, preferably comprising between 11.5 and 13.5% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1 % by weight of silicon, between 0 and 0.04% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of carbon, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the remainder of iron. Matériau composite selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les charges (4) sont en matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement 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.Composite material according to claim 5 or 6, in which the fillers (4) are made of metallic material, preferably a steel, more preferably a tool steel comprising between 5.5 and 6.75% by weight of tungsten, between 4, 5 and 5.5% by weight of molybdenum, between 3.75 and 4.5% by weight of chromium, between 1.75 and 2.20% by weight of vanadium, between 0.8 and 1% by weight of carbon , between 0.20 and 0.45% by weight of silicon, between 0.15 and 0.4% by weight of manganese, between 0 and 0.03% by weight of phosphorus, between 0 and 0.03% by weight sulfur and the rest of iron. Substrat revêtu d’un matériau composite selon l’une quelconque des revendications 5 à 7.Substrate coated with a composite material according to any one of claims 5 to 7. Système comprenant une première pièce (1) comportant un matériau composite selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, tout ou partie des protubérances (5) dudit matériau composite étant disposé en regard d’une deuxième pièce (6), et une huile de viscosité inférieure ou égale à 5W30 disposée entre ledit matériau composite et la deuxième pièce (6).System comprising a first part (1) comprising a composite material according to any one of claims 5 to 7, all or part of the protuberances (5) of said composite material being arranged opposite a second part (6), and an oil of viscosity less than or equal to 5W30 placed between said composite material and the second part (6). Système selon la revendication 9, dans lequel tout ou partie des protubérances (5) dudit matériau composite étant disposé au contact de la deuxième pièce, et ladite huile comprend au moins un additif modificateur de frottement, de préférence choisi parmi le ZnDDP et le MoDTC.System according to claim 9, in which all or part of the protrusions (5) of said composite material being arranged in contact with the second part, and said oil comprises at least one friction modifier additive, preferably chosen from ZnDDP and MoDTC. Système selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la première pièce (1) est un élément de frottement d’un véhicule automobile, tel qu’un alésage de cylindre, un palier, un palier de vilebrequin, un palier d’arbre à cames ou une came.System according to claim 9 or 10, in which the first part (1) is a friction element of a motor vehicle, such as a cylinder bore, a bearing, a crankshaft bearing, a camshaft bearing or a cam. Véhicule automobile comprenant un matériau composite selon l’une quelconque des revendications 5 à 7.Motor vehicle comprising a composite material according to any one of claims 5 to 7.
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