WO2023134933A1 - Pièce revêtue d'un matériau composite à matrice métallique et procédé d'obtention d'une telle pièce - Google Patents

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Francesco DELLORO
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Renault S.A.S.
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    • F16C2360/22—Internal combustion engines

Definitions

  • TITLE Part coated with a metal matrix composite material and process for obtaining such a part
  • the present invention relates, in general, to the wear and the coefficient of friction linked to the friction of parts such as the cylinder block of a motor vehicle combustion engine and, more specifically, to the application of a coating to improve the wear resistance of such parts.
  • the invention relates to a part coated with a metal matrix composite material and to a process for obtaining such a part.
  • the friction of the pistons on the cylinder block represents approximately half of the friction occurring at the level of a combustion engine.
  • a coating is applied to the bore surface of the cylinder block and makes it possible to improve the wear resistance properties of the cylinder block linked to the friction generated during the movement of the pistons.
  • Another existing solution aims to form a ductile coating with hard reinforcements.
  • particles of ceramic material in particular alumina and zirconia, are incorporated into a metal matrix, generally made of steel or aluminum.
  • the hard ceramic particles are nevertheless fragile and eventually fracture during the application of the coating and under the action of friction. Moreover, given their limited affinity, the ceramic particles detach from the metal matrix, which leads to significant wear of the cylinder block.
  • the bore surface of the cylinder block is coated by a spraying process called “Bore spray coating”.
  • the object of the invention is therefore to remedy these drawbacks and to propose a coating made of composite material aimed at improving the properties of resistance to frictional wear and the coefficients of friction of the part on which it is applied, which may be easily manufactured in large series in order to be industrialized, inexpensive, benefiting from cohesion between matrix and optimized reinforcements, and whose ductility is improved.
  • a part is therefore proposed comprising a coating of composite material comprising a metal matrix and metal reinforcements, the reinforcements having a hardness greater than or equal to 550 Hv.
  • the ductility and hardness of the metal reinforcements prevent their fracture and improve the wear resistance properties of the coating.
  • the invention also relates to a process for obtaining a part coated with a composite material comprising a metal matrix and metal reinforcements, the reinforcements having a hardness greater than or equal to 550 Hv, and the metal matrix and the metal reinforcements being projected in the form of powder on the part by dynamic projection by cold gas.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a part coated with a composite material comprising a metal matrix and metal reinforcements, the reinforcements having a hardness greater than or equal to 550 Hv.
  • the example developed below relates to a cylinder block for the combustion engine of a motor vehicle comprising a bore surface configured to cooperate with a plurality of pistons for the operation of the combustion engine.
  • the bore surface is coated with a composite material comprising a metal matrix and metal reinforcements, the reinforcements having a hardness greater than or equal to 550 Hv.
  • the coating is applied to an aluminum or aluminum alloy part. Provision may be made for the coating to be applied to another motor vehicle part subject to friction, lubricated or non-lubricated, or a part not belonging to a motor vehicle.
  • the projected powder is spherical and the D50 particle size of the powder being between 5 ⁇ m and 30 ⁇ m so as to allow industrial yield.
  • the D50 particle size of the powder is between 10 ⁇ m and 25 ⁇ m for optimum projection.
  • the presence of very fine particles smaller than 1 ⁇ m is also preferably avoided in order to present a homogeneous powder flow during the projection.
  • the metal matrix material may comprise a steel.
  • the metal matrix material may consist of a steel.
  • the carbon content of the steel is less than 0.1% by weight so that the metal matrix powder is sufficiently ductile to deform on impact during cold gas dynamic spraying.
  • the material of the metallic matrix which according to one example can be a steel, also comprises chromium, the content of which is between 0 and 16% by weight, preferably between 10 and 16% by weight.
  • chromium makes it possible to improve the properties of resistance to frictional wear of the coating by avoiding any phenomenon of seizing.
  • the material of the metal matrix may comprise 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, generally known as 410L stainless steel, with a ferritic structure.
  • the material of the metal matrix can comprise a copper alloy, for example bronze or brass.
  • 410L stainless steel and copper alloy are particularly suitable for being sprayed by cold spray coating and their hardness prevents the metal reinforcements from collapsing within the matrix.
  • the metal matrix material may comprise a cobalt alloy or a nickel alloy.
  • the HV hardness or Vickers hardness of the reinforcements is greater than or equal to 550 Hv, which improves the wear resistance of the coating.
  • the content of the reinforcements in the deposited coating is between 5% and 30%, preferably between 8% and 15%
  • the material of the metal reinforcements comprises steel.
  • the material of the reinforcements can consist of a steel.
  • the material of the reinforcements comprises a tool steel complying with standard NF EN ISO 4957 and whose toughness and hardness make it possible to improve the wear resistance of the coating.
  • the reinforcement material may comprise 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 manganese, between 0 and 0.03% by weight phosphorus, between 0 and 0.03% by weight sulfur and the balance iron, generally known as tool steel M2.
  • 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 manganese, between 0 and 0.03% by weight phosphorus, between 0
  • the reinforcement material may comprise or consist of steel comprising between 12 and 14% by weight of chromium, between 0 and 1% by weight of manganese, between 0 and 1% by weight of silicon, between 0 , 15 and 0.4% by weight carbon, 0.04% by weight oxygen, between 0 and 0.04% by weight phosphorus, between 0 and 0.03% by weight of sulfur and the balance of iron, generally known as 420 stainless steel.
  • the addition of copper is particularly advantageous for imparting improved thermal properties to the coating.
  • molybdenum and solid lubricants are particularly advantageous for improving the wear resistance properties linked to friction and reducing the coefficient of friction.
  • the metal matrix material is a steel of ferritic structure, known as 410L stainless steel, and comprises 11.9% by weight of chromium, 0.67% by weight of manganese, 0.56% by weight silicon, 0.014% by weight phosphorus, 0.013% by weight carbon, 0.005% by weight sulfur and the balance iron.
  • the hardness of 410L stainless steel is approximately 335 Hvo,oi.
  • the metal matrix is in the form of a spherical powder having a particle size D50 of 21.2 ⁇ m, D 10 of 12.1 ⁇ m and D90 of 35.9 ⁇ m.
  • the material of the metal reinforcements is a tool steel known as M2 tool steel, and comprises 6.29% by weight of tungsten, 4.8% by weight of molybdenum, 4.31% by weight of chromium , 1.97% by weight of vanadium, 0.9% by weight of carbon, 0.28% by weight of silicon, 0.26% by weight manganese, 0.024% by weight phosphorus, 0.008% by weight sulfur and the balance iron.
  • the hardness of M2 tool steel is approximately 719 Hvo,oi.
  • the reinforcements are in the form of a spherical powder having a particle size D50 of 22 ⁇ m, D 10 of 13.7 ⁇ m and D90 of 33.7 ⁇ m.
  • the powder mixture comprising 80% by weight of 410L stainless steel metal matrix and 20% of M2 tool steel reinforcements, contained in a De Laval type nozzle, is sprayed onto the surface of a part by dynamic spraying. by cold gas called "Cold Spray” at supersonic speed by a pressurized gas.
  • the temperature and the projection pressure upstream of the De Laval nozzle are respectively greater than 800° C. and 40 bar.
  • the final content of the coating applied to the part is 90% by weight of 410L stainless steel metal matrix and 10% of M2 tool steel reinforcements.
  • the composite material coating with 410L stainless steel matrix and M2 tool steel reinforcements is particularly suitable for coating the bore surface of a cylinder block.
  • Example 2 410L stainless steel metal matrix
  • the metallic matrix of example 2 is identical to the metallic matrix of example 1.
  • the material of the metal reinforcements is a stainless steel known as 420 stainless steel, and comprises 12.9% by weight of chromium, 0.7% by weight of manganese, 0.7% by weight of silicon, 0, 38% by weight carbon, 0.04% by weight oxygen, 0.011% by weight phosphorus, 0.008% by weight sulfur and the balance iron.
  • the hardness of 420 stainless steel is approximately 680 Hvo,oi.
  • the reinforcements are in the form of a spherical powder with a D50 particle size of approximately 22 ⁇ m.
  • the powder mix comprising 80% by weight of 410L stainless steel metal matrix and 20% of 420 stainless steel reinforcements.
  • the projection of the composite material powder comprising the 410L stainless steel metal matrix and the 420 stainless steel metal reinforcements is projected onto the surface of a part by dynamic cold gas projection under conditions identical to the example 1.
  • the final content of the coating applied to the part is 90% by weight of 410L stainless steel metal matrix and 10% of 420 stainless steel reinforcements.
  • a first coating is applied to a first part by projection using a Bore Spray coating process on a 13Mn6 steel.
  • the 13Mn6 material is a steel comprising between 1.6 and 1.8% by weight of manganese, between 0.25 and 0.40% by weight of silicon, between 0.10 and 0.13% by weight of carbon, between 0 and 0.04% by weight phosphorus, between 0 and 0.03% by weight sulfur and the balance iron.
  • a second coating is applied to a second part by projection using a Cold Spray coating process of a stainless steel powder without reinforcements.
  • a third coating similar to Example 1 is applied to a third part by projection using a Cold Spray coating process of a composite material powder comprising a 410L stainless steel matrix and M2 tool steel reinforcements.
  • the third coating has increased durability and is particularly suitable, according to one example, for coating a combustion engine cylinder block bore surface.
  • the coefficient of friction of the first and third coatings was also compared, in an oil at 20°C and 100°C.

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Abstract

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

Description

TITRE : Pièce revêtue d’ un matériau composite à matrice métallique et procédé d’ obtention d’ une telle pièce
La présente invention concerne, de manière générale, l ’usure et le coefficient de frottements liés aux frottements de pièces telles que le carter cylindre d’un moteur à combustion de véhicule automobile et, plus précisément, l ’ application d’un revêtement pour améliorer la résistance à l ’usure de telles pièces.
Plus particulièrement, l ’ invention se rapporte à une pièce revêtue d’un matériau composite à matrice métallique et à un procédé d’ obtention d’une telle pièce.
Dans un véhicule automobile, certaines pièces sont suj ettes à des frottements importants et continus.
En particulier, le frottement des pistons sur le carter cylindre représente environ la moitié des frottements se produisant au niveau d’un moteur à combustion.
Une augmentation de la consommation en carburant du moteur à combustion résulte de ces frottements et a pour conséquence l ’ augmentation du taux d’ émission de dioxyde de carbone par le véhicule automobile.
Classiquement, un revêtement est appliqué sur la surface d’ alésage du carter cylindre et permet d’ améliorer les propriétés de résistance à l ’usure du carter cylindre liée aux frottements générés lors du déplacement des pistons.
En particulier, il est connu de former un revêtement en matériau composite à matrice métallique chargée en lubrifiants solides.
Malgré leur grand bénéfice face aux frottements, un tel revêtement est difficile à réaliser et la cohésion entre la matrice et les lubrifiants solides n’ est pas satisfaisante. La structure en feuillets des lubrifiants solides fragilise voire empêche la cohésion entre les particules de la matrice métallique.
Une autre solution existante vise à former un revêtement ductile avec des renforts durs. A cet égard, des particules en matériau céramique, notamment alumine et zircone, sont incorporées à une matrice métallique, généralement en acier ou en aluminium.
Cependant, les particules céramiques dures sont néanmoins fragiles et finissent par se fracturer lors de l ’ application du revêtement et sous l ’ action des frottements. De plus, compte tenu de leur affinité limitée, les particules céramiques se détachent de la matrice métallique, ce qui conduit à une usure importante du carter cylindre.
Selon une technique conventionnelle, la surface d’ alésage du carter cylindre est revêtu par un procédé de proj ection nommé « Bore spray coating » .
Cependant, le procédé de Bore Spray coating est difficile à industriali ser, coûteux et limite la nature des revêtements pouvant être utilisés.
L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un revêtement en matériau composite visant à améliorer les propriétés de rési stance face à l ’usure de frottement et les coefficients de frottement de la pièce sur lequel il est appliqué, pouvant être aisément fabriqué en grande série afin d’ être industrialisé, peu coûteux, bénéficiant d’une cohésion entre matrice et renforts optimisée, et dont la ductilité est améliorée.
Il est donc proposé une pièce comprenant un revêtement en matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
Il a été constaté que la cohésion optimisée entre la matrice métallique et les renforts métalliques conduisait à l ’ obtention d’un revêtement aux propriétés de résistance à l ’usure améliorées.
De plus, la ductilité et la dureté des renforts métalliques empêchent leur fracture et améliorent les propriétés de résistance à l ’usure du revêtement.
L’invention concerne également à un procédé d’ obtention d’ une pièce revêtue d’un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv, et la matrice métallique et les renforts métalliques étant proj etés sous forme de poudre sur la pièce par proj ection dynamique par gaz froid.
Par proj ection dynamique par gaz froid, on entend un procédé de métallisation, plus communément appelé « Cold Spray coating », dans lequel un matériau sous forme de poudre contenu dans une buse du type De Laval est proj eté à vitesse supersonique sur une surface par un gaz sous pression. La température de fonctionnement est inférieure à 450°C en sortie de buse De Laval .
Il a été constaté que la proj ection par Cold Spray coating apportait un gain tribologique significatif en améliorant les propriétés de résistance à l ’usure du revêtement.
De plus, la proj ection par Cold Spray coating apporte un gain notable pour l ’ industrialisation en grande série, notamment par une fabrication simple et peu coûteuse de pièces revêtues.
L’ invention se rapporte aussi à un véhicule automobile comprenant une pièce revêtue d’un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
D’ autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif.
Dans ce qui va suivre, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l ’ expression « compris entre » .
L’ exemple développé ci-après se rapporte à un carter cylindre pour moteur à combustion d’un véhicule automobile comportant une surface d’ alésage configurée pour coopérer avec une pluralité de pistons pour le fonctionnement du moteur à combustion.
La surface d’ alésage est revêtue par un matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
Selon un exemple de réali sation, le revêtement est appliqué sur une pièce en aluminium ou alliage d’ aluminium. On pourra prévoir que le revêtement soit appliqué sur une autre pièce de véhicule automobile suj ettes à des frottements, lubrifiées ou non lubrifiées, ou une pièce n’ appartenant pas à un véhicule automobile.
De préférence, la poudre proj etée est sphérique et la granulométrie D50 de la poudre étant comprise entre 5 pm et 30 pm de façon à permettre un rendement industriel .
Plus préférentiellement, la granulométrie D50 de la poudre comprise entre 10 pm et 25 pm pour une proj ection optimale.
La présence de particules très fines inférieures à 1 pm est également, de préférence, évitée afin de présenter un débit de poudre homogène lors de la proj ection.
Matrice métallique
Selon un mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un acier.
Selon un exemple, le matériau de la matrice métallique peut consister en un acier.
L’ acier possède des propriétés mécaniques suffisamment élevées pour éviter un affaissement des renforts métalliques dans la matrice métallique.
De préférence, la teneur en carbone de l ’ acier est inférieure à 0, 1 % en poids afin que la poudre de matrice métallique soit suffisamment ductile pour se déformer à l ’ impact lors de la proj ection dynamique par gaz froid.
Avantageusement, le matériau de la matrice métallique, qui selon un exemple peut être un acier, comprend en outre du chrome dont la teneur est comprise entre 0 et 16 % en poids, de préférence entre 10 et 16% en poids.
La présence de chrome permet d’ améliorer les propriétés de résistance à l ’usure de frottement du revêtement en évitant tout phénomène de grippage.
Selon un mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un acier comprenant entre 1 1 , 5 et 13 , 5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier inoxydable 410L, de structure ferritique.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un alliage cuivreux, par exemple du bronze ou du laiton.
L’ acier inoxydable 410L et l ’ alliage cuivreux sont particulièrement adaptés pour être proj etés par cold spray coating et leur dureté permet d’ éviter un affaissement des renforts métalliques au sein de la matrice.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau de la matrice métallique peut comprendre un alliage de cobalt ou un alliage de nickel .
Renforts métalliques
La dureté HV ou dureté Vickers des renforts est supérieure ou égale à 550 Hv, ce qui permet d’ améliorer la résistance à l ’usure du revêtement.
De préférence, la teneur des renforts dans le revêtement déposé est comprise entre 5 % et 30 %, de préférence comprise entre 8 % et 15 %
Dans un mode de réalisation, le matériau des renforts métalliques comprend de l ’ acier.
Selon un exemple, le matériau des renforts peut consister en un acier.
Selon un mode de réalisation, le matériau des renforts comprend un acier à outils répondant à la norme NF EN ISO 4957 et dont la ténacité et la dureté permettent d’ améliorer la résistance à l ’usure du revêtement.
Selon un exemple, le matériau des renforts peut comprendre un acier à outils comprenant entre 5, 5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4, 5 et 5, 5 % en poids de molybdène, entre 3 ,75 et 4, 5 % en poids de chrome, entre 1 ,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0, 8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier à outils M2.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau des renforts peut comprendre ou consister en acier comprenant entre 12 et 14 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de carbone, 0,04 % en poids d’ oxygène, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier inoxydable 420.
On pourra prévoir que la pièce comprenne en outre un lubrifiant à la surface du revêtement en matériau composite.
On pourra également prévoir que le matériau composite à matrice métallique et renforts métalliques ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv pui sse, en outre, comporter des renforts supplémentaires choisis parmi : des particules de cuivre ou d’ alliage de cuivre, des particules de molybdène ou d’ alliage de molybdène, des lubrifiants solides ou un mélange de ceux-ci .
L’ apport de cuivre est particulièrement avantageux pour conférer des propriétés thermiques améliorées au revêtement.
L’ apport de molybdène et de lubrifiants solides est particulièrement avantageux pour améliorer les propriétés de résistance à l ’usure liée aux frottements et réduire le coefficient de frottement.
Exemple 1
Matrice métallique en acier inoxydable 410L
Le matériau de la matrice métallique est un acier de structure ferritique, connu sous la dénomination d’ acier inoxydable 410L, et comprend 1 1 ,9 % en poids de chrome, 0,67 % en poids de manganèse, 0, 56 % en poids de silicium, 0,014 % en poids de phosphore, 0,013 % en poids de carbone, 0,005 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l ’ acier inoxydable 410L est d’ environ 335 Hvo,oi .
La matrice métallique se présente sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 de 21 ,2 pm, D 10 de 12, 1 pm et D90 de 35 ,9 pm.
Renforts métalliques en acier à outils M2
Le matériau des renforts métalliques est un acier à outils connu sous la dénomination d’ acier à outils M2, et comprend 6,29 % en poids de tungstène, 4, 8 % en poids de molybdène, 4,3 1 % en poids de chrome, 1 ,97 % en poids de vanadium, 0,9 % en poids de carbone, 0,28 % en poids de silicium, 0,26 % en poids de manganèse, 0,024 % en poids de phosphore, 0,008 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l ’ acier à outils M2 est d’ environ 719 Hvo,oi .
Les renforts se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 de 22 pm, D 10 de 13 ,7 pm et D90 de 33 ,7 pm.
Revêtement en matériau composite 410L+M2 obtenu
Le mélange de poudre comprenant 80% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 20% de renforts en acier à outils M2, contenu dans une buse du type De Laval, est proj eté à la surface d’une pièce par proj ection dynamique par gaz froid dit « Cold Spray » à vitesse supersonique par un gaz sous pression.
La température et la pression de proj ection en amont de la buse De Laval sont respectivement supérieur à 800°C et 40 bar.
La teneur finale du revêtement appliqué sur la pièce est de 90% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 10% de renforts en acier à outils M2.
Il a été constaté que les particules dures de renforts en acier à outils M2 sont ancrés efficacement dans la matrice en acier inoxydable 410L, traduisant une cohésion importante entre la matrice et les renforts.
Des essais mécaniques localisés ont permis de montrer que la matrice en acier inoxydable 410L a des propriétés mécaniques suffisantes pour éviter l ’ enfoncement des renforts en acier à outils M2. En particulier, aucun affaissement de la matrice n’ est observé pour des pressions de 1400 MPa, c’ est-à-dire des valeurs de pression bien au-delà des pressions exercées dans un moteur à combustion.
Les essais mécaniques ont également permis de montrer que les bénéfices du revêtement 410L+M2 obtenu sur la résistance de la pièce face aux frottements sont significatifs.
Par conséquent, le revêtement en matériau composite à matrice en acier inoxydable 410L et renforts en acier à outils M2 est particulièrement adapté pour revêtir la surface d’ alésage d’un carter cylindre.
Exemple 2 Matrice métallique en acier inoxydable 410L
La matrice métallique de l ’ exemple 2 est identique à la matrice métallique de l ’ exemple 1.
Renforts métalliques en acier inoxydable 420
Le matériau des renforts métalliques est un acier inoxydable connu sous la dénomination d’ acier inoxydable 420, et comprend 12,9 % en poids de chrome, 0,7 % en poids de manganèse, 0,7 % en poids de silicium, 0,38 % en poids de carbone, 0,04 % en poids d’ oxygène, 0,01 1 % en poids de phosphore, 0,008 % en poids de soufre et le reste de fer.
La dureté de l ’ acier inoxydable 420 est d’ environ 680 Hvo,oi .
Les renforts se présentent sous forme de poudre sphérique ayant une granulométrie D50 d’ environ 22 pm.
Revêtement en matériau composite 410L + 420 obtenu
Le mélange de poudre comprenant 80% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 20% de renforts en acier inoxydable 420.
La proj ection de la poudre de matériau composite comprenant la matrice métallique en acier inoxydable 410L et les renforts métalliques en acier inoxydable 420 est proj eté sur la surface d’une pièce par proj ection dynamique par gaz froid dans des conditions identiques à l ’ exemple 1.
La teneur finale du revêtement appliqué sur la pièce est de 90% en poids de matrice métallique en acier inoxydable 410L et 10% de renforts en acier inoxydable 420.
La cohésion importante entre l ’ acier inoxydable 410L et l ’ acier inoxydable 420 conduit à un ancrage efficacement des renforts dans la matrice.
Des essais mécaniques localisés ont permis de montrer des propriétés mécaniques suffisantes de la matrice métallique en acier inoxydable 410L pour éviter l ’ enfoncement des renforts en acier inoxydable 420. Le revêtement en matériau composite à matrice en acier inoxydable 410L et renforts en acier inoxydable 420 est particulièrement adapté pour revêtir la surface d’ alésage d’un carter cylindre. Les essais mécaniques ont également permis de montrer que les bénéfices du revêtement 410L+420 obtenu sur la résistance de la pièce face aux frottements sont significatifs.
Etude des propriétés de résistance à l ’usure de trois revêtements
Les performances vis-à-vis de l ’usure par frottement de trois revêtements ont été étudiés, dans une huile à une température de 20°C et à une température de 100°C .
Un premier revêtement est appliqué sur une première pièce par proj ection selon un procédé Bore Spray coating d’un acier de 13Mn6.
Le matériau 13Mn6 est un acier comprenant entre 1 ,6 et 1 , 8 % en poids de manganèse, entre 0,25 et 0,40 % en poids de silicium, entre 0, 10 et 0, 13 % en poids de carbone, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
Un deuxième revêtement est appliqué sur une deuxième pièce par proj ection selon un procédé Cold Spray coating d’une poudre d’ acier inoxydable sans renforts.
Un troisième revêtement similaire à l ’ exemple 1 , est appliqué sur une troisième pièce par proj ection selon un procédé Cold Spray coating d’une poudre de matériau composite comportant une matrice en acier inoxydable 410L et des renforts en acier à outils M2.
Résultats
Les résultats des tests d’usure effectués sur les trois revêtements à 20°C et 100°C sont présentés, respectivement, dans les tableaux 1 et 2 ci- dessous.
Tableau 1 :
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000011_0001
Tableau 2 :
Figure imgf000011_0002
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D’ après les résultats présentés dans le tableau 1 , à 20°C, on constate que l ’usure des deuxième et troisième revêtements appliqués par Cold spray coating est limitée par rapport au premier revêtement appliqué par Bore spray coating, traduisant un gain tribologique obtenu grâce au procédé Cold spray coating par rapport au procédé Bore spray coating. Néanmoins, à 20°C, les particules dures d’ acier à outils M2 ne semblent pas indispensables.
En revanche, d’ après les résultats présentés dans le tableau 2, à 100°C, le deuxième revêtement en acier inoxydable 410L sans renforts, c’ est-à-dire sans particules dures, grippe, ce qui entraîne une usure très importante. L’ aj out des particules dures en acier à outils M2 a permis d’ empêcher le grippage et de limiter l’usure à des niveaux très superficiels comparés au premier revêtement appliqué par Bore spray coating.
Le troisième revêtement présente une durabilité augmentée et est particulièrement adaptée, selon un exemple, pour revêtir une surface d’ alésage de carter cylindre de moteur à combustion.
Le coefficient de frottement des premier et troisième revêtements a également été comparé, dans une huile à 20°C et 100°C .
A 20°C, il a été constaté que le coefficient de frottement du troisième revêtement 410L+M2 est plus faible que celui du premier revêtement 13Mn6 à faible vitesse, mais que ceux-ci s’ égalisent à plus haute vitesse.
En revanche, à 100°C, il a été constaté que le coefficient de frottement du troisième revêtement 410L+M2 est largement plus faible que celui du premier revêtement 13Mn6, et ceci sur toute la plage de vitesse opérée. La réduction observée est d’ environ 70%, ce qui permet une réduction des émi ssions de CO2 importante lorsque le troisième revêtement revêt la surface d’ alésage d’un carter cylindre de moteur à combustion.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce comprenant un revêtement en matériau composite comportant une matrice métallique et des renforts métalliques, les renforts ayant une dureté supérieure ou égale à 550 Hv.
2. Pièce selon la revendication 1 , dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un acier.
3. Pièce selon la revendication 2, dans laquelle la teneur en carbone de T acier de la matrice métallique est inférieure à 0, 1 % en poids.
4. Pièce selon Tune quelconque des revendications 2 ou 3 , dans laquelle T acier de la matrice métallique comprend du chrome, la teneur en chrome étant comprise entre 0 et 16% en poids.
5. Pièce selon Tune quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un acier comprenant entre 1 1 , 5 et 13 , 5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
6. Pièce selon la revendication 1 , dans laquelle le matériau de la matrice métallique comprend un alliage cuivreux, tel que le bronze ou le laiton, un alliage de cobalt ou un alliage de nickel .
7. Pièce selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur en renforts métalliques est comprise entre 5 % et 30 %, de préférence comprise entre 8 % et 15 %.
8. Pièce selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau des renforts métalliques comprend un acier, de préférence un acier à outils.
9. Pièce selon la revendication 8, dans laquelle le matériau des renforts comprend un acier comprenant entre 5, 5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4, 5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3 ,75 et 4, 5 % en poids de chrome, entre 1 ,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0, 8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.
10. Pièce selon l ’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau composite du revêtement comporte en outre des renforts choisis parmi : des particules de cuivre ou d’ alliage de cuivre, des particules de molybdène ou d’ alliage de molybdène, des lubrifiants solides ou un mélange de ceux- ci .
1 1. Procédé d’ obtention d’une pièce revêtue d’un matériau composite selon l ’une quelconque des revendications précédentes, la matrice métallique et les renforts métalliques étant proj etés sous forme de poudre sur la pièce par proj ection dynamique par gaz froid.
12. Procédé d’ obtention selon la revendication 1 1 , dans lequel la poudre proj etée est sphérique, la granulométrie D50 de la poudre étant comprise entre 5 pm et 30 pm, de préférence comprise entre 10 pm et 25 pm.
13. Véhicule automobile comprenant au moins une pièce selon l ’une quelconque des revendications 1 à 10.
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