WO2014114414A1 - Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant - Google Patents

Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant Download PDF

Info

Publication number
WO2014114414A1
WO2014114414A1 PCT/EP2013/077296 EP2013077296W WO2014114414A1 WO 2014114414 A1 WO2014114414 A1 WO 2014114414A1 EP 2013077296 W EP2013077296 W EP 2013077296W WO 2014114414 A1 WO2014114414 A1 WO 2014114414A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steel
valve
pusher
atmosphere
mechanical element
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/077296
Other languages
English (en)
Inventor
Fernand DA COSTA
Original Assignee
Renault S.A.S
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault S.A.S filed Critical Renault S.A.S
Publication of WO2014114414A1 publication Critical patent/WO2014114414A1/fr

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02Pretreatment of the material to be coated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/28Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in one step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/28Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in one step
    • C23C8/30Carbo-nitriding
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/28Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in one step
    • C23C8/30Carbo-nitriding
    • C23C8/32Carbo-nitriding of ferrous surfaces
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a mechanical element of an internal combustion engine, in particular a valve pusher.
  • the present invention more particularly relates to a thermochemical diffusion treatment process for a mechanical element such as a valve pusher.
  • valve pushers carbonitrided steel or carbonitrided steel coated with a coating called “DLC” (in English: “Diamond Like Carbon”).
  • DLC diamond Like Carbon
  • the DLC coating consists of different thin layers with a wide variety of structures.
  • a level of pusher wear is not fully satisfactory, while the carbonitrided steel valves with DLC coating have a high cost.
  • the present invention aims to solve the technical problems mentioned above.
  • the object of the invention is to propose a diffusion thermochemical treatment process. for a mechanical element made of steel, which makes it possible to obtain a lower coefficient of friction.
  • a surface treatment method in particular a diffusion thermochemical treatment method for a mechanical element of an internal combustion engine made of steel, in particular a valve pusher, comprising:
  • a step of surface polishing for example by brushing, of the steel.
  • the combination of an oxynitrocarburizing step and a surface polishing step makes it possible, in particular, to give the mechanical element a very low coefficient of friction close to that of a DLC coating, with a process that can be easily set up. implemented. This result results from the surface diffusion of nitrogen, carbon and oxygen, leading to a combination layer of approximately ⁇ having a particularly favorable level of friction, particularly in the case of valve pushers.
  • the final polishing step also makes it possible to improve the properties of the combination layer by clipping the roughness peaks that may be present, and thus to obtain an improved surface condition, further reducing the coefficient of friction.
  • the oxynitrocarburizing step may comprise heating, for example between 400 ° C and 700 ° C, of the steel in an atmosphere comprising nitrogen, oxygen and carbon atoms, for example a mixture of ammonia and methanol.
  • the oxynitrocarburizing step may also include a subsequent heating step, for example between 400 ° C and 700 ° C, of the steel in an oxidizing atmosphere.
  • the gaseous oxynitrocarburizing step of the mechanical element makes it possible to facilitate the implementation of the process, especially when the process already comprises a carbonitriding step.
  • the heating step in an atmosphere comprising nitrogen, oxygen and carbon atoms can last between 1 hour and 4 hours. hours and the subsequent heating step in an oxidizing atmosphere may last a few minutes.
  • the process also comprises a carbonitriding step before the oxynitrocarburation step. It is thus easily possible, from the same flow of mechanical elements, to manufacture carbonitrided elements, carbonitrided elements with a DLC coating and oxynitrocarburés elements according to the present invention.
  • the carbonitriding step may comprise heating, for example between 700 ° C and 1100 ° C, of the steel in an atmosphere comprising nitrogen and carbon atoms, for example ammonia and propane. Heating in an atmosphere comprising nitrogen and carbon atoms can last between 1 hour and 4 hours.
  • the carbonitriding step may also comprise a subsequent quenching step, for example quenching in an oil bath.
  • a mechanical element of a steel internal combustion engine for example a valve pusher, comprising, on the surface: a layer comprising iron nitrides, and a surface oxide layer of Fe 3 C 4 iron.
  • the thickness of the iron nitride layer may be between 5 and 20 ⁇ m.
  • the thickness of the surface layer of iron oxide may be less than 5 ⁇ .
  • the surface of the element may have an arithmetical average deviation of the roughness profile Ra measured according to IS04287 less than 0.40 ⁇ , preferably between 0.1 ⁇ and 0.2 ⁇ .
  • the cylinder head 1 comprises an exhaust duct 2 which makes it possible to communicate the combustion chamber of the engine with the exhaust manifold (not shown) of the engine.
  • the exhaust pipe 2 can be closed by an exhaust valve 3 which is guided axially in a valve guide 4 arranged in the cylinder head 1 of the engine.
  • the valve 3 is mounted movable along its axis of displacement, which is here vertical.
  • the valve 3 comprises a valve stem 5 and a valve head 6 which closes the exhaust pipe 2 when the valve 3 is in its closed position, and a pusher 7.
  • the valve head 6 is mounted at one end of the valve stem and has a bearing surface 8 which is provided to bear axially against a complementary valve seat 9 arranged in the cylinder head 1 when the valve 3 is in its closed position.
  • the seat 9 is here reported in the exhaust duct 2.
  • the pusher 7 is mounted at the tail of the valve 3.
  • the pusher 7 comprises a bearing surface 1 0 coming into contact with a cam of the camshaft, and a cylindrical skirt January 1 coming into contact with the cylinder head of the engine 1.
  • a closing spring 12 is disposed inside the cylindrical skirt 11, and is mounted in compression between the yoke 1 and a pressure cup 13 of the valve 3.
  • the pusher 7 is made for example of 16MnCr5 steel.
  • the general shape of the pusher 7 is obtained by conventional manufacturing steps using, for example, forging and machining.
  • the manufacturing process of the pusher 7 then comprises steps that allow to give the pusher 7 its final shape, before mounting on the valve 3, in the engine.
  • the process comprises a so-called carbonitriding step, during which the pusher is treated by enrichment with carbon and nitrogen.
  • the carbonitriding step is intended to increase the hardness of the pusher 7, and more particularly of the bearing surface 10 on which the cam actuating the valve 3 comes into contact.
  • the carbonitriding step is carried out for example under a gas atmosphere, example of ammonia and propane. It comprises a temperature rise phase, an enrichment phase of the steel under the gaseous atmosphere, then a quenching phase, for example with oil.
  • the temperature rise phase makes it possible to heat the steel of the pusher 7 at a temperature of between 700 ° C. and 1100 ° C., preferably between 850 ° C. and 950 ° C. Thereafter, the treatment under gaseous atmosphere is carried out for a period that can last between a few minutes to several hours, preferably between 1 hour and 4 hours, more preferably between 2 hours and 3 hours. Finally, the quenching is carried out in oil, for example at a temperature between 100 ° C and 200 ° C, preferably between 120 ° C and 1 80 ° C.
  • the surface nitrogen input forms, in the material constituting the pusher 7, a nitrided peripheral layer, which comprises a so-called combination layer and a so-called diffusion layer.
  • the combination layer may have a thickness of between 5 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the combination layer may comprise nitrides ⁇ and '.
  • the carbonitriding step of the pusher 7 may be carried out on a valve pusher production line, regardless of the specific mechanical properties desired for some of them.
  • carbonitride lifters can be mounted directly on some internal combustion engines, while others can be used with DLC coating.
  • other pushers are treated according to the process of the present invention by an oxynitrocarburation step.
  • the oxynitrocarburation step is therefore a step that can be added in a process of manufacturing valve lifters, depending on the desired properties.
  • the oxynitrocarburizing step is carried out, for example, in a gaseous atmosphere, for example ammonia and methanol. It includes a temperature rise phase, a steel enrichment phase under the gaseous atmosphere and then an oxidation phase.
  • a gaseous atmosphere for example ammonia and methanol. It includes a temperature rise phase, a steel enrichment phase under the gaseous atmosphere and then an oxidation phase.
  • the temperature rise phase makes it possible to heat the steel of the pusher 7 at a temperature of between 400 ° C. and 700 ° C., preferably between 500 ° C. and 600 ° C. Thereafter, the treatment under gaseous atmosphere is carried out for a period that can last between a few minutes to several hours, preferably between 1 hour and 4 hours, more preferably between 2 hours and 3 hours. Finally, an oxidation phase is carried out under an atmosphere comprising oxygen for a few minutes, for example between 1 minute and 40 minutes.
  • the pusher is then cooled in a standard manner, for example at room temperature.
  • the oxynitrocarburation leads to the formation of a surface layer of Fe 3 C 4 oxide 4.
  • the oxide layer may have a thickness of a few microns, for example between ⁇ ⁇ and 5 ⁇ .
  • the oxynitrocarburizing step is followed by a polishing step intended to improve the surface condition of the pusher, while maintaining a surface layer of sufficient thickness to minimize the coefficient of friction of the surface of the pusher. support 10 of the pusher 7.
  • the polishing step makes it possible to give the pusher a very low coefficient of friction, similar to that of a DLC coating.
  • the polishing is carried out preferably by brushing the bearing surface 10 and possibly the skirt 11 of the pusher 7.
  • the polishing makes it possible to clip the roughness peaks of the surface layer of the steel, giving a surface state improved overall and therefore a lower coefficient of friction.
  • the pusher may have, after polishing, a surface having an arithmetical mean deviation of the roughness profile Ra (measured according to the standard IS O 4287) between ⁇ , ⁇ ⁇ and 0.4 ⁇ , preferably between 0.1 ⁇ . and 0.2 ⁇ .
  • valve pusher having an improved roughness, and therefore a lower coefficient of friction, thus limiting firstly the wear of the pusher but also the energy losses.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain surface conditions close to those obtained with a DLC coating, for a lower cost.
  • the method easy to implement, can be inserted into a chain of valve pushers, among other surface treatments, and can be used according to the specific needs of certain pushers.
  • the process can be implemented for other mechanical elements made of wear-resistant steel, for example parts of engines or gearboxes.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique de moteur à combustion interne réalisé en acier, notamment un poussoir (7) de soupape (3), comprenant : - une étape d'oxynitrocarburation de la surface de l'acier, puis - une étape de polissage de surface, par exemple par brossage, de l'acier. L'invention concerne également un élément mécanique de moteur à combustion interne en acier, par exemple poussoir (7) de soupape (3), comprenant, en surface : une couche comportant des nitrures de fer, et une couche surfacique d' oxyde de fer Fe3O4.

Description

Procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique, et élément mécanique correspondant
La présente invention concerne un procédé de fabrication d 'un élément mécanique de moteur à combustion interne, en particulier un poussoir de soupape. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique tel qu 'un poussoir de soupape .
Les déplacements des cames et leur venue en contact répétée sur les poussoirs des soupapes sont susceptibles de provoquer une usure rapide par frottement du poussoir. Par ailleurs, les pertes énergétiques associées à ces frottements conduisent également à augmenter la consommation en carburant du moteur à combustion interne, et donc les émissions de C02.
Il est connu de réaliser les poussoirs de soupape en acier carbonitruré ou en acier carbonitruré recouvert d'un revêtement dit « DLC » (en anglais : «Diamond Like Carbon ») . Le revêtement DLC est constitué de différentes couches minces possédant une grande variété de structures. Cependant, dans le cas des soupapes en acier carbonitruré, on obtient un niveau d'usure au niveau du poussoir qui n' est pas totalement satisfaisant, tandis que les soupapes en acier carbonitruré avec revêtement DLC présentent un coût élevé.
Il est également connu d' appliquer des traitements de surface pour modifier les propriétés surfaciques d' éléments mécaniques, comme décrit dans les documents FR 2 8 12 888 , CN 102198591 ou KR 100440876. Cependant, aucun des documents ne divulgue un procédé de traitement permettant de diminuer le frottement d'un élément mécanique.
La présente invention a pour obj et de résoudre les problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier l' invention a pour but de proposer un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour élément mécanique en acier, permettant d'obtenir un coefficient de frottement plus faible.
Selon un aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement de surface, notamment un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique de moteur à combustion interne réalisé en acier, notamment un poussoir de soupape, comprenant :
- une étape d'oxynitrocarburation de la surface de l'acier, puis
- une étape de polissage de surface, par exemple par brossage, de l'acier.
La combinaison d'une étape d'oxynitrocarburation et d'une étape de polissage de surface, permet notamment de conférer à l'élément mécanique un coefficient de frottement très faible proche de celui d'un revêtement DLC, avec un procédé pouvant être facilement mis en œuvre. Ce résultat résulte de la diffusion en surface d'azote, de carbone et d'oxygène, conduisant à une couche de combinaison d'environ ΙΟμιη présentant un niveau de frottement particulièrement favorable, notamment dans le cas de poussoirs de soupape. L'étape de polissage finale permet par ailleurs d'améliorer les propriétés de la couche de combinaison en écrêtant les pics de rugosité éventuellement présents, et donc d'obtenir un état de surface amélioré, diminuant encore plus le coefficient de frottement.
L'étape d'oxynitrocarburation peut comprendre un chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone, par exemple un mélange d'ammoniac et de méthanol. L'étape d'oxynitrocarburation peut également comprendre également une étape ultérieure de chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère oxydante. L'étape d'oxynitrocarburation gazeuse de l'élément mécanique permet de faciliter la mise en œuvre du procédé, notamment lorsque celui comprend déjà une étape de carbonitruration.
L'étape de chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone peut durer entre 1 heure et 4 heures et l'étape ultérieure de chauffage dans une atmosphère oxydante peut durer quelques minutes.
Préférentiellement, le procédé comprend également une étape de carbonitruration avant l'étape d'oxynitrocarburation. Il est ainsi aisément possible, à partir d'un même flux d'éléments mécaniques, de fabriquer des éléments carbonitrurés, des éléments carbonitrurés avec un revêtement DLC et des éléments oxynitrocarburés selon la présente invention.
L'étape de carbonitruration peut comprendre un chauffage, par exemple entre 700°C et 1100°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone, par exemple de l'ammoniac et du propane. Le chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone peut durer entre 1 heure et 4 heures. L'étape de carbonitruration peut comprendre également une étape ultérieure de trempe, par exemple une trempe dans un bain d'huile.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un élément mécanique de moteur à combustion interne en acier, par exemple poussoir de soupape, comprenant, en surface : une couche comportant des nitrures de fer, et une couche surfacique d'oxyde de fer Fe3C"4.
L'épaisseur de la couche de nitrures de fer peut être comprise entre 5 et 20μιη. L'épaisseur de la couche surfacique d'oxyde de fer peut être inférieure à 5μιη.
La surface de l'élément peut présenter un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra mesuré selon la norme IS04287 inférieur à 0,40μιη, de préférence compris entre 0,1 μιη et 0,2μιη.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, illustré par la figure annexée représentant, une coupe d'une soupape d'échappement d'un moteur à combustion interne.
On a représenté sur la figure unique une portion de culasse 1 de moteur à combustion interne. La culasse 1 comporte un conduit d'échappement 2 qui permet de faire communiquer la chambre de combustion du moteur avec le co llecteur d'échappement (non représenté) du moteur.
Le conduit d'échappement 2 est susceptible d'être obturé par une soupape d'échappement 3 qui est guidée axialement dans un guide de soupape 4 agencé dans la culasse 1 du moteur.
La soupape 3 est montée mobile suivant son axe de déplacement, qui est ici vertical.
La soupape 3 comporte une tige de soupape 5 et une tête de soupape 6 qui obture le conduit d'échappement 2 lorsque la soupape 3 occupe sa position fermée, et un poussoir 7.
La tête de soupape 6 est montée à une extrémité de la tige de soupape et comporte une portée 8 qui est prévue pour venir en appui axial contre un siège de soupape 9 complémentaire agencé dans la culasse 1 , lorsque la soupape 3 occupe sa position fermée. Le siège 9 est ici rapporté dans le conduit d'échappement 2.
Le poussoir 7 est monté au niveau de la queue de la soupape 3 . Le poussoir 7 comporte une surface d ' appui 1 0 venant en contact avec une came de l ' arbre à cames, et une jupe cylindrique 1 1 venant en contact avec la culasse du moteur 1 . Un ressort de fermeture 12 est disposé à l' intérieur de la jupe cylindrique 1 1 , et est monté en compression entre la culasse 1 et une coupelle de pression 13 de la soupape 3.
Bien entendu, l'invention s'applique aussi bien à une soupape d'admission qu'à la soupape d'échappement 3.
On décrit maintenant le procédé de fabrication du poussoir 7 de soupape.
Le poussoir 7 est réalisé par exemple en acier 16MnCr5. La forme générale du poussoir 7 est obtenue par des étapes classiques de fabrication faisant appel, par exemple, au forgeage et à l'usinage. Le procédé de fabrication du poussoir 7 comporte ensuite des étapes qui permettent de donner au poussoir 7 sa forme définitive, avant son montage sur la soupape 3 , dans le moteur. De manière classique, le procédé comporte une étape dite de carbonitruration, au cours de laquelle le poussoir est traité par enrichissement en carbone et azote. L'étape de carbonitruration vise à augmenter la dureté du poussoir 7, et plus particulièrement de la surface d' appui 10 sur laquelle vient en contact la came actionnant la soupape 3. L ' étape de carbonitruration est réalisée par exemple sous atmosphère gazeuse, par exemple d' ammoniac et de propane. Elle comprend une phase de montée en température, une phase d' enrichissement de l ' acier sous l ' atmosphère gazeuse, puis une phase de trempe, par exemple à l ' huile.
La phase de montée en température permet de chauffer l ' acier du poussoir 7 à une température comprise entre 700°C et 1 100°C, de préférence entre 850° C et 950°C . Puis, le traitement sous atmosphère gazeuse est effectué, durant une période pouvant durer entre quelques minutes à plusieurs heures, de préférence entre 1 heure et 4 heures, plus préférentiellement entre 2 heures et 3 heures . Enfin, la trempe est effectuée dans de l ' huile, par exemple à une température comprise entre 100°C et 200°C, de préférence entre 120°C et 1 80°C .
Au cours de la carbonitruration, l'apport superficiel d'azote forme, dans le matériau constituant le poussoir 7, une couche périphérique nitrurée, qui comporte une couche dite de combinaison et une couche dite de diffusion. La couche de combinaison peut présenter une épaisseur comprise entre 5 μιη et 20μιη. La couche de combinaison peut comprendre des nitrures ε et ' .
L ' étape de carbonitruration du poussoir 7 peut être réalisée sur une chaîne de fabrication de poussoirs de soupape, indépendamment des propriétés mécaniques spécifiques voulues pour certains d' entre eux. Ainsi, des poussoirs carbonitrurés peuvent être montés directement sur certains moteurs à combustion interne, tandis que d' autres peuvent faire l'obj et d'un dépôt de revêtement DLC . Enfin, d' autres poussoirs sont traités selon le procédé de la présente invention par une étape d' oxynitrocarburation. Cependant, il convient de noter qu ' il est également possible de traiter directement le poussoir 7 en acier par oxynitrocarburation, sans effectuer nécessairement une étape de carbonitruration préalablement. L ' étape d' oxynitrocarburation constitue donc une étape pouvant être ajoutée dans un processus de fabrication de poussoirs de soupape, selon les propriétés voulues .
L ' étape d' oxynitrocarburation est réalisée par exemple sous atmosphère gazeuse, par exemp le d ' ammoniac et de méthano l. Elle comprend une phase de montée en température, une phase d' enrichissement de l ' acier sous l ' atmosphère gazeuse, puis une phase d' oxydation.
La phase de montée en température permet de chauffer l ' acier du poussoir 7 à une température comprise entre 400° C et 700°C, de préférence entre 500° C et 600°C . Puis, le traitement sous atmosphère gazeuse est effectué, durant une période pouvant durer entre quelques minutes à plusieurs heures, de préférence entre 1 heure et 4 heures, plus préférentiellement entre 2 heures et 3 heures. Enfin, une phase d' oxydation est effectuée sous une atmosphère comprenant de l'oxygène, pendant quelques minutes, par exemple entre 1 minute et 40 minutes.
Le poussoir est ensuite refroidi de manière standard, par exemple à température ambiante.
L 'oxynitrocarburation conduit à la formation d'une couche superficielle d' oxyde Fe3C" 4 . La couche d' oxyde peut présenter une épaisseur de quelques microns, par exemple entre Ι μιη et 5 μιη.
Selon l'invention, l'étape d ' oxynitrocarburation est suivie d'une étape de polissage visant à améliorer l'état de surface du poussoir, tout en conservant une couche superficielle d'épaisseur suffisante pour minimiser le coefficient de frottement de la surface d' appui 10 du poussoir 7.
En particulier, l ' étape de polissage permet de conférer au poussoir un coefficient de frottement très faible, semblable à celui d'un revêtement DLC . Le polissage est effectué de préférence par brossage de la surface d' appui 10 et éventuellement de la jupe 1 1 du poussoir 7. Le polissage permet d' écrêter les pics de rugosité de la couche superficielle de l ' acier, donnant un état de surface global amélioré et donc un coefficient de frottement plus faible. En particulier, le poussoir peut présenter, après polissage, une surface ayant un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra (mesuré selon la norme IS O 4287) compris entre Ο, ΐ μιη et 0,4μιη, de préférence compris entre 0, 1 μιη et 0,2μιη.
On obtient ainsi un poussoir de soupape présentant une rugosité améliorée, et donc un coefficient de frottement plus faible, limitant ainsi d'une part l 'usure du poussoir mais également les pertes énergétiques. En particulier, le procédé selon l' invention permet d' obtenir des états de surface proches de ceux obtenus avec un revêtement DLC , pour un coût plus faible . Par ailleurs, le procédé, facile à mettre en œuvre, peut s 'insérer dans une chaîne de traitement de poussoirs de soupape, parmi d' autres traitements de surface, et peut être utilisé selon les besoins spécifiques à certains poussoirs . Enfin, le procédé peut être mis en œuvre pour d' autres éléments mécaniques en acier so llicités à l 'usure, par exemple des pièces de moteurs ou de boîtes de vitesses .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique de moteur à combustion interne réalisé en acier, notamment un poussoir (7) de soupape (3), comprenant :
- une étape d'oxynitrocarburation de la surface de l'acier, puis
- une étape de polissage de surface, par exemple par brossage, de l'acier.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape d'oxynitrocarburation comprend un chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone, par exemple un mélange d'ammoniac et de méthanol.
3. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape d'oxynitrocarburation comprend également une étape ultérieure de chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère oxydante.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape de chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone dure entre 1 heure et 4 heures et dans lequel l'étape ultérieure de chauffage dans une atmosphère oxydante dure quelques minutes.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant également une étape de carbonitruration avant l'étape d'oxynitrocarburation.
6. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape de carbonitruration comprend un chauffage, par exemple entre 700°C et 1100°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone, par exemple de l'ammoniac et du propane.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel le chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone dure entre 1 heure et 4 heures.
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7 dans lequel l'étape de carbonitruration comprend également une étape ultérieure de trempe, par exemple une trempe dans un bain d'huile.
9. Elément mécanique de moteur à combustion interne en acier, par exemple poussoir (7) de soupape (3), comprenant, en surface : une couche comportant des nitrures de fer, et une couche surfacique d'oxyde de fer Fe304.
10. Elément selon la revendication 9 dans lequel l'épaisseur de la couche de nitrures de fer est comprise entre 5 et 20μιη, et dans lequel l'épaisseur de la couche surfacique d'oxyde de fer est inférieure à 5μιη.
11. Elément selon la revendication 9 ou 10 dans lequel la surface de l'élément présente un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra mesuré selon la norme IS04287 inférieur à 0,40μιη, de préférence compris entre 0,1 μιη et 0,2μιη.
PCT/EP2013/077296 2013-01-24 2013-12-19 Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant WO2014114414A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1350610 2013-01-24
FR1350610A FR3001231B1 (fr) 2013-01-24 2013-01-24 Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014114414A1 true WO2014114414A1 (fr) 2014-07-31

Family

ID=48289297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/077296 WO2014114414A1 (fr) 2013-01-24 2013-12-19 Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3001231B1 (fr)
WO (1) WO2014114414A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572937A (zh) * 2022-10-28 2023-01-06 西安理工大学 一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109594036B (zh) * 2018-12-29 2020-07-28 重庆建大恒益气门有限公司 基于气门高稳定性的氮化设备及其工艺

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1156180A (en) * 1966-01-21 1969-06-25 Bohumil Prenosil A Low Temperature Process for the Carbonitriding of Structural Steel and Cast Iron
DE2228746A1 (de) * 1971-06-15 1972-12-21 Statni Vyzkumny Ustav Material Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitnerten Schichten an Eisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt
EP0217421A2 (fr) * 1983-04-14 1987-04-08 LUCAS INDUSTRIES public limited company Pièces en acier résistant à la corrosion et leur procédé de fabrication
FR2588281A1 (fr) * 1985-10-08 1987-04-10 Air Liquide Procede de traitement thermique pour la realisation de pieces en acier resistant a la corrosion
FR2812888A1 (fr) 2000-08-14 2002-02-15 Ct Stephanois De Recherches Mecaniques Procede de traitement superficiel de pieces mecaniques soumise a la fois a l'usure et a la corrosion
FR2841265A1 (fr) * 2002-06-20 2003-12-26 Bosch Gmbh Robert Composant ayant une zone d'acier non magnetique et une couche limite magnetique et procede pour sa realisation
KR100440876B1 (ko) 1998-12-29 2004-11-03 한국델파이주식회사 자동차용미끄럼작동부재의표면처리방법
FR2942241A1 (fr) * 2009-02-18 2010-08-20 Hydromecanique & Frottement Procede de traitement de pieces pour ustensiles de cuisine
CN102198591A (zh) 2010-03-26 2011-09-28 东亚大学校产学协力团 高强度且轻量的头枕支撑的制造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1156180A (en) * 1966-01-21 1969-06-25 Bohumil Prenosil A Low Temperature Process for the Carbonitriding of Structural Steel and Cast Iron
DE2228746A1 (de) * 1971-06-15 1972-12-21 Statni Vyzkumny Ustav Material Verfahren zur Herstellung von bei tiefer Temperatur karbonitnerten Schichten an Eisenlegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt
EP0217421A2 (fr) * 1983-04-14 1987-04-08 LUCAS INDUSTRIES public limited company Pièces en acier résistant à la corrosion et leur procédé de fabrication
FR2588281A1 (fr) * 1985-10-08 1987-04-10 Air Liquide Procede de traitement thermique pour la realisation de pieces en acier resistant a la corrosion
KR100440876B1 (ko) 1998-12-29 2004-11-03 한국델파이주식회사 자동차용미끄럼작동부재의표면처리방법
FR2812888A1 (fr) 2000-08-14 2002-02-15 Ct Stephanois De Recherches Mecaniques Procede de traitement superficiel de pieces mecaniques soumise a la fois a l'usure et a la corrosion
FR2841265A1 (fr) * 2002-06-20 2003-12-26 Bosch Gmbh Robert Composant ayant une zone d'acier non magnetique et une couche limite magnetique et procede pour sa realisation
FR2942241A1 (fr) * 2009-02-18 2010-08-20 Hydromecanique & Frottement Procede de traitement de pieces pour ustensiles de cuisine
CN102198591A (zh) 2010-03-26 2011-09-28 东亚大学校产学协力团 高强度且轻量的头枕支撑的制造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572937A (zh) * 2022-10-28 2023-01-06 西安理工大学 一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
FR3001231A1 (fr) 2014-07-25
FR3001231B1 (fr) 2016-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7246586B2 (en) Wear-resistant coating and process for producing it
JP4269443B2 (ja) 摺動部材の表面処理方法及び該方法を用いた摺動部材の表面平滑化方法
FR3022560A1 (fr) Procede de revetement en carbone dlc du nez des cames d'un arbre a came, arbre a cames ainsi obtenu et installation pour la mise en oeuvre de ce procede
JP2010261473A (ja) 内燃機関用摺動部品、内燃機関、輸送機器および内燃機関用摺動部品の製造方法
WO2014114414A1 (fr) Procede de traitement thermochimique de diffusion pour un element mecanique, et element mecanique correspondant
JP7219776B2 (ja) ピストンリング
JP4541941B2 (ja) チタン合金製タペット等の部品とその製造方法
JPWO2004081252A1 (ja) 窒化バルブリフタおよびその製造方法
KR100706387B1 (ko) 내마모 및 저마찰 특성을 동시에 향상시키는 엔진 밸브캡의 코팅 방법
US20070227626A1 (en) Valve train component for an internal combustion engine, and method of making same
JP2006257942A5 (fr)
JP2004003435A (ja) 内燃機関用燃料噴射弁およびその製造方法
JP5898092B2 (ja) 駆動カム、その製造方法、及びエンジンの動弁装置
EP1466995B1 (fr) Procédé de traitement d'une soupape comportant une étape de nitruration et soupape obtenue par le procédé
JP3939431B2 (ja) 内燃機関の動弁機構
FR3058760A1 (fr) Soupape d'echange de gaz pour un moteur a combustion interne et moteur a combustion interne
JPWO2014196259A1 (ja) 摺動部品
JP3639901B2 (ja) ラッシュアジャスタ
JP2001140608A (ja) タペット
JP7058781B1 (ja) ピストンリング及びその製造方法
KR100643617B1 (ko) 엔진 마찰저감용 타펫의 wcc 코팅방법
FR2551499A1 (fr) Procede de fabrication de chemises en acier doux pour cylindres de moteurs a combustion interne
JPH04171206A (ja) 内燃機関用バルブリテーナ
KR101990986B1 (ko) 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법
FR3132720A1 (fr) Procédé de renforcement d’une pièce en acier par carbonitruration

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13811507

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13811507

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1