Brevet FR2043622A1 — publié le 19710219

La présente invention concerne un élément de machine qui est constitué par un noyau central en un matérial donné et par une couche externe qui est appliquée sur des parties données de ce noyau, par exemple une roue dentée ou une roue à vis sans fin dans laquelle les flancs des dents sont recouverts dune couche d'usure. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication des éléments de machine du genre précité. Dans de nombreux éléments de machine, lee exigences qui sont imposées aux matériaux constituant les parties de ces éléments qui, lors de. la coopération avec d'autres éléments de machine, viennent en contact avec ceux-ci, sont souvent beaucoup plus sévères que les exigences concernant le matériau qui consti- tue le reste de l'élément de machine. En construisant l'élément de machine en deux matériaux différents, de telle manière que ledit élément de machine soit constitué par un noyau en un mat*- riau bon marché et par une couche superficielle d'un matériau adéquat qui est appliquée sur les parties dudit élément de machi- ne qui sont spécialement sollicitées, il est possible, en principe, de réduire la dépense concernant les matériau:.Le problème est toutefois dtappliquer la couche externe de telle sorte que lton ait une bonne liaison entre ladite couche et le noyau et que, simultanément, les qualités requises de la couche quant à la pureté, la densité, usinage et la résistance à l'usure soient effectivement obtenues, cela tout en maintenant simultanément les coûts de production à un niveau suffisamment bas pour que les économies réalisées sur les matériaux entraient effective- ment un abaissement du coût global. Pour les roues dentées, et plus particulièrement pour les roues à vis sans fin, les contraintes infligées aux dents et plus particulièrement aux flancs des dents sont dXtermlnan- tes pour le choix du matériau. Dans les engrenages à vis sans fin, on a un contact glissant entre la vis sans fin et la roue d'engrenage, ce qui implique des combinaisons de matériaux donnant de bonnes propriétés de glissement. On choisira par exemple de l'acier pour la vis et du bronze pour la roue, Lorsque la roue de l'engrenage à vie sans fin est de petite dimensions telle est entièrement fabriquée en bronze.Par contre, lorsque les dimensions sont plus importantes, la roue d'engrenage est munie d'une couronne de bronze qui est fixée sur un moyeu en un mat6- riau meilleur marché. Etant donné le prix élevé du bronze, il est toutefois souhaitable de limiter la consommation de bronze et de n'utiliser dans toute la mesure du possible le bronze que pour constituer les surfaces ou l'on tire pleinement partie des caractéristiques particulières de ee métal, autrement dit pour les seules surfaces où l'on a un contact glissant avec d'autres éléments de machine. Un élément de machine selon l'invention est constitué par un noyau fabriqué par compression d'une poudre sur haute pression dans un moule et par frittage, lequel est revêtu d1une couche externe qui est acorochée sur ledit noyau sur le fait que le mat6- riau de ladite couche pénètre dans les pores dudit noyau. I1 est rationnel que le noyau soit en poudre de fer et qu'il soit muni d'une couche externe de bronze. Des noyaux ayant une densité de à 6,4 correspondant à 80 environ de la densité théorique, oonviennent particulièrement bien.Un bronze normal & l'étain contenant 5,0 à 12,0% d'étain pour 88 à 95% de cuivre, un bronze au phosphore avec 5,0 i 12,0% d'étéain, 88 & 95% de cuivre et 0,1 à 0,8% de phosphore, ou un bronze à l'aluminium avec 2,0 à 11,0% d'aluminium et 89 à & 98% de cuivre conviennent particulièrement bien pour constituer la couche externe devant jouer le rôle de couche d'usure sur les parties de l'élément de machine, par exemple les flance des dents dune roue à vis sans fin, qui viennent en contact glissant avec d'autres éléments de machine lors de la coopération avec ces dernier. Parmi d'autres matériaux qui conviennent pour constituer la couche externe, on citera encore le monel, avec 0,12 à 3,0% de carbone 0,5 à 1,0% de silicium, 1,5 à 2,0% de manganèse, plus de 63% de nickel, de 27,0 à 34,0% de cuivre et 2,0 à 3,0% de fer, l'acier allié, ou encore le molybdène, le nickel ou le cuivre à l'état pratiquement pur, avec des apports de métaux d'alliage nuls ou insignifiants. Un autre groupe de matériau convenant pour les couches externes estoalui dit des pseudoalliages, autrement dit des mélanges de deux métaux ou de deux alliages différents. Des pseudoalliages adéquats sont par exemple constitués par les oouples suivants : acier faiblement ou fortement allié/mAtal monel; acier faiblement ou fortement ellié/bronze au phosphore; acier/ molybdène; acier/tungstène ; acier/tantale. Si l'élément de machine est une roue dentée d'engrenage ou une roue à vis sans fin dont les flancs dee dents sont revêtus d'une couche d'usure en bronze, cette couche d'usure a une épaisseur d'au moins 0,1 uni. L'épais- seur est comprise de préférence entre 0,3 et 5 mm. L'invention concerne également un procédé de fabrication des éléments de machine. Selon l'invention un noyau qui est constitué par une poudre comprimée sous une densité élevée est revêtu par pulvérisation à chaud avec une couche externe, ce après quoi l'élément de machine comprenant ledit noyau et ladite couche externe est fritté, puis éventuellement usiné aux côtes voulues. Dans la fabrication des loyaux, il s'est avéré avantageux de comprimer ceux-ci isostatiquement jusqu'à une densité de 6,3 6,4, ou plus, correspondant à 80% de la densité théorique, ou plus. Dans les zones qui doivent être revêtues, les cotes du noyau sont réduites, de telle façon qu'apr8s usinage la couche externe ait bien l'épaisseur voulue. Pour des raisons techniques, comme pour des raisons économiques, il est particulièrement avantageux d'appliquer la couche externe par projection sur un noyau non fritté.Toutefois, dans certains cas, il peut être rationnel de faire subir au noyau un préfrittage afin d'augmenter sa résistance mécanique avant l'application de la couche externe, et aussi de telle sorte que les variations de dimensions se produisant au frittage après application de la couche externe soient aussi réduites que possible. L'épaisseur de la couche externe doit être supérieure à 0,1 mm. Etant donné les déformations qui interviennent au moment du frittage, etc... ltépaisseur de la couche devrait dépasser 0,) mn et elle pourra atteindre jusqu'à 5 uni, ou même plus. L'opération de frittage est effectuée en atmosphère ré- ductrice. I1 est particulièrement avantageux d'opérer le frittage dans une atmosphère contenant de l'hydrogène ou un mélange d'hy- drogène et d'azote, ou de tout autre gaz inerte.Du iait du frit- tage sous atmosphère réductrice, la couche d'oxyde qui est porté par les grains de la poudre constituant le noyau, et les couobes d'oxyde qui se forme sur les gouttes du matériau appliqué par projection, au moment oh lton pulvérise du métal fondu sur le noyau, sont réduites dans une très large mesure, ce qui conduit à l'obtention d'un matériau pratiquement homogène. Le frittage des roues dentées ou des roues à vis Sans iin, comprenant un noyau en poudre be fer comprimé crvéo un revêtement de bronze sur les flancs des dents sera opéré de préférence sous atmosphères d'hy- drogène à une température comprise entre 750 et 1100 C. Lors du frittage des roues à vis sans fin, comprenant un noyau de poudre de fer et une couche d'usure en bronze ou en un pseudoalliage d1 acier et de bronze au phosphore, le frittage sous atmosphère d'hydrogène après un séjour de deux heures à la température de 9500C conduit à une couche de bronze qui est dense, qui offre une bonne résistance à l'usure et qui est solidement accrochée au noyau. Normalement on obtient des résultats particulièrement favorables avec des températures de frittage comprises entre 900 et 1000 C. Cependant, le temps de frittage augmente de façon appréciable lorsque l'on abaisse la température, et il en résulte alors une augmentation des coûts de production. Par contre, une augmentation de la température permet certes de réduire le temps de frittage, mais elle comporte des risques de fusion ou d'importantes déformations. Par pulvérisation à chaud, on entend la pulvérisation à la flamme de chalumeau (au gaz), avec apport de matière sous forme de poudre (pulvérisation à la poudre) ou soue forme de fil (pulvérisation au fil), ou encore la pulvérisation & l'arc élec- trique (pulvérisation électrique) et la pulvérisation au plasma, avec apport de matière sous forme de fil ou de poudre. L'invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée en se référant au dessin ci-annexé, qui représente schématique- ment une coupe au travers d'une partie d'un noyau de poudre comprimée revêtu d'une couche externe qui est par exemple en bronze, et dans lequel: La figure 1 représente le noyau portant une couche externe non frittée. La figure 2 représente l'aspect de omette même couche externe après le frittage. Dans les figures on a en 1 un noyau qui est constitué par exemple en poudre de fer, avec des pores 2. Les pores sont montrés ici à échelle très fortement exagérée. Au moment de la pulvérisation à chaud, un matériau fendu aous forme de gouttelet- tes de métal en fusion est projeté sur le noyau. Chemin faisant, ces gouttelettes peuvent se refroidir et s'oxyder superficiellement, de telle sorte quelles sont partiellement ssoliditieéer en surface. Lorsque les gouttelettes heurtent ainsi à grande vitesse la surface du noyau elles s'aplatissent, et leur pellicule externe partiellement solidifiée éclate de telle sorte que le métal fondu colle les gouttelettes sur le support.Simultanément, les gouttelettes sont aplaties de telle sorte que la couche ex terne acquiert une structure écailleuse comme cela est visible, de façon exagérée, en 3 sur la figure 1. Les écailles sont sépa rées par de l'oxyde et par des espaces vides 4 qui réduisent la résistance mécanique et la densité de la couche. La liaison avec le support peut également être insuffisante. Par le frittage de l'ensemble constitué par le noyau et la couche externe, on obtient non seulement une amélioration des propriétés de la couche exter ne, mais aussi un bon accroohage de cette couche sur son support, et une notable amélioration de la résistance mécanique du noyau dans la zone proche de la couche externe.La figure 2 montre de façon très schématique couinent le bronze est aspiré par effet capillaire dans les pore. 2 du noyau, au moment du frittage, en réalisant dans ses pores une sorte d'armature qui renforce 1s noyau. Cette aspiration dans le noyau du matériau constituant la couche externe se traduit en outre par un accrochage extraordinai- rement efficace de la couche externe sur le noyau. Le frittage entratne également une réduction de la teneur en oxyde, pour le noyau comme pour la couche externe, d'où il résulte que llon ob tient ainsi une meilleure liaison et par conséquent une résistan- ce plus élevée. Les espaces vides 4 de la couche externe qui sont montrés par la figure 1 ont une forme qui varie au moment du frittage.On peut voir que dans la couche externe 3 de la figure 2, les espaces vides 5 se présentent, après frittsge, avec une forme arrondie et même souvent sphérique, leur volume étant en outre plus faible que le volume des espaces vides irréguliers 4 qui étaient initialement présents. La température et la durée du frittage seront choisis en fonction du matériau, do telle façon que l'on obtienne la structure voulue pour le noyau et pour la couche externe. Le procédé selon l'invention convient particulièrement bien pour la fabrication des roue dentés ou des roue à vis sans fin. I1 est facile de réaliser, par compression d'une poudre, un noyau ayant des dents dont les cotes sont réduites par rapport aux cotes définitives, de telle sorte que l'on puisse appliquer ensuite une couche externe sur les ilancs des dents et dans les fonds de denture dudit noyau comprimé, sans qu'il soit nécessaire d'effectuer un usinage ultérieur ou tout au moins en rendant négligeable l'importance d'un tel usinage.L'application de la couche externe dans le rond de la denture se traduit par un renforcement des racines des dents, cela grâoe au fait que le matériau constituant la couche externe pénètre dans les pores du matériau de noyau et y constitue en quelque sorte une armature. Laliaison très intime entre le noyau et la couche d'usure est une garantie appréciable de stabilité pour une mince couche d'usure, sous les conditions variables de charge auxquelles sont soumises les dents. On comprendra que l'invention représente un progrès technique et économique appréciable si l'on sait que, dans la fabrication de roues à vis sans fin, le procédé décrit ci-dessus a permis de réduire la consommation de bronze de 75%, par comparaison avec les procédés de fabrication antérieurement connus. 18/63 REVENDICATIONS 1. Elément de machine constitué par un noyau central en un matériau donné et par une couche externe qui est appliquée sur des parties données de de noyau, par exemple une roue dentée ou une roue à vis sans iin dans laquelle les flancs des dents sont recouverts d'une couche d'usure, caractérisé en ce que ledit noyau est constitué par un corps fabriqué par compression d'une poudre sous haute pression dans un moule et par frittage, lequel corps est:-revêtu dune couche externe (couche d'usure) qui est accrochée sur ledit noyau par le fait que le matériau de ladite couche pénètre dans les pores dudit noyau. 2. Elément de machine selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le noyau est essentiellement en poudre de fer alors que la couche externe (couche d'usure) est en bronze. 3. Elément de machine selon la revendication 1, caraotérisé en ce que la couche externe (couche d'usure) est en bronze & l'étain contenant 5,0 à 12,0% d'étain et 88 à 95% do cuivre. 4. Elément de machine selon la revendication 1, carao- térisé en ce que la couche externe (couche d'usure) est en bronze au phosphore contenant 5,0 à 12,0% d'étain, 0,1 à 0,8% de phosphore et 88 & 95% de cuivre. 5. Elément de machine selon la revendication 1 oaraotérisé en ce que la couche externe (couche d'usure) est en bronze à l'aluminium contenant ; ,0 à à 11% aluminium et 89,0 à 98,0% de cuivre. 6. élément de machine selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la couche externe est en métal monel contenant 0,12 à 3% de carbone, 0,5 à 1,0% de silicium, 1,5 à 2,0% de mangenèse, plus de 63% de niokel, 27,0 à 34,0% de cuivre et 2,0 à 3,0% de fer. 7. Elément de machine selon la revendication 1, caractérisé en oe que la couche externe est constituée princi- palement par du molybdène, du nickel ou au ouivre. 8. Elément de machine selon la revendication 1, caractérisé en oe que la couche externe est en acier allié. @ 9. Elément de machine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe est en un pseudcalliage par exemple l'un des couples suivants: acier faiblement allié/ monel; acier fortement allié/monel; acier faiblement allié/ bronze au phosphore; acier fortement allié/bronze au phosphore; acier/molybdène; acier/tyungstène; acier/tantale. 10. Elément de machine selon l'une quelqonque des revendications 1 à 5, caractérisé en oe que ledit élément de machine est une roue dentée ou une roue à vis sans fin dont les flancs des dents sont revêtus d'une couche d'usure en bronze ayant une épaisseur qui vaut au minimum 0w1 mm et qui est de préférence comprise entre 0,3 mm et 5 mn. 11. Procédé de fabrication des éléments de machine selon la revendication 1, caractérisé en oe que l'on applique, par pulvérisation à chaud, une couche externe sur un noyau qui est fabriqué par moulage et compression à haute densité d'une poudre et dont les cotes sont réduites par rapport aux cotes définitives, ce après quoi l'élément de machine constitué par ledit noyau et par ladite couche externe est fritté, puis éven- tuellement usiné à la cote exacte. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le frittage est accompli sous atmosphère réductrice. 13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que le frittage est accompli dans une atmosphère contenant de l'hydrogène. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qutune roue dentée ou-une roue à vis sans fin, comprenant un noyau de poudre de fer comprimée, dont les flancs des dents sont revêtus de bronze, est frittée dans une atmosphère contenant de l'hydrogène, à une température qui est comprise entre 750 et 1100 C, de préférence entre 900 et 1000 C.