Brevet FR2173303A1 — publié le 19731005

La présente invention concerne un procédé pour le traitement de pièces, éléments de machine ou autres par refonte à l'aide d'un "faisceau énergétique", c'est-à-dire un faisceau que des moyens optoélectroniques permettent d'influencer et de commander, un faisceau électronique ou laser par exemple. L'invention a pour objet un nouveau procédé permettant d'obtenir de façon optimale des améliorations par refonte des surfaces de pièces, éléments de machine éléments de construction ou autres, soumises en service 9 des sollicitations d'usure, corrosion ou fatigue élevées, notamment à températures élevées, dans des moteurs à combustion interne par exemple. L'invention a également pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique de pièces, éléments de machine, éléments de construction, etc. en matériaux de moulage. L'invention a également pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique de pièces, éléments de machine, éléments de construction, etc., avec adaptation du traitement à la géométrie d'usure des régions superficielles des pièces, éléments de machine, éléments de construction, etc. soumises à de fortes sollicitations d'usure. L'invention a également pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique de pièces, éléments de machine, éléments de construction ou autres, de façon à supprimer les fissurations dans la région des zones superficielles traitées. L'invention a également pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique d'éléments de construction des moteurs à piston rotatif. L'invention a également pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique des sièges de soupape sur les culasses de moteurs à combustion interne. L'invention a enfin pour objet un procédé pour le traitement par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique, permettant un traitement très économique de zones superficielles relativement étendues, avec des temps de maintien prédéterminés par les matériaux. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la totalité ou des parties déterminées de la pièce ou autre élément sont traitées par éléments superficiels relativement petits et séparés, dont le nombre et la disposition sont prédéterminés, et qui seuls subissent des modifications structurales par fusion à l'aide d'un faisceau énergétique, puis refroidissement à vitesse contr8lée. Il est en outre avantageux d'effectuer le traitement de façon que les modifications structurales, produites par fusion à l'aide d'un faisceau énergétique, puis refroidissement, s'étendent aussi à un volume de matériau défini sous les éléments superficiels choisis. L'expérience montre que l'application du procédé selon l'invention au traitement par refonte permet d'éviter totalement des fissurations dans la région des éléments superficiels refondus à l'aide d'un faisceau énergétique. Ce résultat s'explique comme suit. Les contraintes internes, produites par des phénomènes de retrait et apparaissant généralement, notamment dans le cas d'un refroidissement rapide, sont réparties dans la méthode selon l'invention régulièrement sur un nombre élevé d'éléments superficiels ou en volume séparés de la pièce, entourés chacun par des régions ductiles du matériau de base, de sorte qu'il ne peut se former dans la pièce aucune zone de contrainte importante, susceptible d'entrat- ner des fissurations. I1 peut être avantageux que le traitement par refonte selon l'inven tion s'effectue-sur des é umants superficiels ponctuels. I1 peut en outre être avantageux que le traitement nar refonte s'effectue sur des éléments superficiels d'une certaine étendue. Le procédé selon l'invention permet enfin d'effectuer le traitement par refonte sur des éléments superficiels d'au moins deux formes différentes. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut se faire de la façon particulièrement avantageuse suivante, dans le cas de zones superficielles relativement étendues, devant être traitées à l'aide d'un faisceau énergétique et en tenant compte de temps de maintien prédéterminés par le matériau. Le faisceau énergétique est soumis, par rapport à la surface de la pièce ou autre élément à traiter, à un mouvement de déviation discontinu à haute fréquence, de façon à agir brièvement après chaque saut sur un élément d'un groupe d'éléments superficiels choisis, et ce mouvement de déviation discontinu est répété périodiquement pendant un intervalle de temps prédéterminé, de sorte que chaque élément superficiel du groupe est sollicité plusieurs fois par le faisceau énergétique, jusqu'à l'obtention du résultat désiré.La fréquence du mouvement de déviation discontinu du faisceau énergétique est de préférence suf fi- saimient élevée pour qu'entre deux apports d'énergie successifs à un même élément superficiel, sa chute de température ne tombe pas audessous d'une limite inférieure définie, de sorte qu'on obtient un apport d'énergie "quasi-simultané" à tous les éléments superficiels. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le traitement par refonte s'effectue de façon que les volumes de matériau correspondant aux éléments superficiels choisis présentent après traitement un profil de profondeur prédéterminé. Pour obtenir des éléments superficiels pratiquement rectangulaires, il est en outre possible de prévoir un ou plusieurs mouvements de déviation oscillants du faisceau énergétique par élément superficiel. Pour obtenir des profils de profondeur pratiquement cylindriques dans le cas d'éléments superficiels pratiquement circulaires, il est par ailleurs possible de prévoir un mouvement de déviation circulaire ou hélicordal du faisceau énergétique par élément superficiel. Le faisceau énergétique utilisé dans le procédé selon l'invention est de préférence un faisceau électronique. Les avantages du faisceau électronique, et notamment la localisation et le dosage spécifiques de son énergie ainsi que sa commande pratiquement sans inertie, sont suffimoment connus pour dispenser ici d'une description précise des propriétés du faisceau électronique en tant qu'outil thermique. On a constaté que l'application du procédé selon l'invention au traitement par refonte de pièces, éléments de machine ou autres en maté riaux de moulage (fonte à graphite lamellaire ou fonte nodulaire à graphite sphérotdal par exemple), avec utilisation d'un faisceau électronique par exemple comme faisceau énergétique, permet d'obtenir des améliorations notables du comportement à l'usure, des propriétés de résistance, de la résistance à la corrosion, ainsi qu'un accroissement de la dureté superficielle et, an partie, de la ductilité et de la résistance au revenu. Les cycles de température rapides, caractéristiques du procédé selon l'invention, produisent une structure de fusion avec précipita- tion extrêmement fine des carbures. La réduction des distances entre les ramifications des dendrites peut atteindre 80 %. Ces propriétés structurales expliquent la ductilité élevée et la grande résistance à l'usure et à la corrosion. La résistance au revenu est portée à plus de 2 600 "C par exemple, de sorte que des duretés attégnant 900 kg/mm ont pu etre mesurées à cette température. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 10 représentent chacune des dispositions géométriques, formes et distributions possibles d'éléments superficiels ayant subi des refontes à l'aide d'un faisceau énergétique, sur une pièce dessinée partiellement ou totalement; les figures Il et 12 représentent chacune un seul élément superficiel agrandi, avec le tracé schématique de la trajectoire d'un faisceau énergétique et les figures 13 et 14 représentent chacune une forme possible du profil en épaisseur de volumes du matériau d'une pièce traitée par le procédé selon l'invention. La partie 1 de la surface d'une piece, représentée à la figure 1, comporte par exemple de nombreux plats de refonte 2, allongés et parallèles, tandis que la partie superficielle 3 selon figure 2 présente une distribution régulière d'flats de refonte ponctuelle 4. Les ilotes de refonte 2 allongés ou linéaires selon figure 1 peuvent avoir une longueur de 10 à 200 mm et une largeur de 1 à 2 mm par exemple. Le diamètre des ilôts de refonte ponctuelle 4 est par exemple de 1 ou 2 mm, mais peut aussi atteindre 4 mm. Les figures 3 et 4 représentent chacune la surface circulaire d'éléments de construction, soumise à usure. La surface 5 selon figure 3 comporte par exemple des plats de refonte 6 linéaires, disposés en étoile. La figure 4 représente une configuration particulière, avec des ilotes de refonte ponctuels 8 sur une surface 7. Dans certaines applications, il peut etre avantageux de choisir des dimensions plus grandes des éléments superficiels d'une pièce à traiter, de sorte qu'il s'agit pratiquement d'éléments superficiels de grande étendue. Les figures 5, 6 et 7 représentent des exemples. La surface 9 d'un élément de construction à lignes ou surface de délimitation extérieures courbes, représentée partiellement à la figure 5, comporte par exemple des zones de refonte 12, étendues et séparées, tandis que les surfaces 10 et 11, représentées aux figures 6 et 7, comportent des zones 13 ou 14 et 15 de refonte par faisceau énergétique, avec des géométries et distributions différentes. De telles surfaces traitées par refonte peuvent être aussi cylindriques ou coniques par exemple. Les formes et dispositions géométriques préférables dans chaque cas pour les éléments superficiels d'une pièce ou élément de construction à refonte à l'aide d'un faisceau énergétique dépendent de nombreux facteurs : utilisations envisagées, types de sollicitation en service, problèmes d'usure, etc. I1 peut notamment être avantageux d'effectuer le traitement d'une pièce sur des éléments superficiels d'au moins deux formes différentes. L'application de la méthode décrite ci-dessous à l'aide des figures 8 et 9 est particulièrement économique pour le traitement de surfaces relativement étendues, avec des temps de maintien prédéterminés par le matériau. La figure 8 est la vue en plan partielle d'une surface de pièce 16, devant comporter des ilats de refonte ponctuelle, régulièrement répartis, comme dans le cas de la figure 2. I1 est possible de regrouper de tels ilôts de refonte et de répartir un nombre élevé de tels groupes sur toute la surface d'une pièce, suivant une disposition régulière. Chaque groupe individuel d'il8ts de refonte s'obtient très rapidement en imposant au faisceau énergétique de traitement, un faisceau électronique par exemple, un mouvement de déviation discontinu à haute fréquence par rapport à la surface de la pièce, de façon que le faisceau énergétique agisse brièvement, après chaque saut, sur un élément. du groupe d'éléments superficiels choisis, et en répétant périodiquement ce mouvement discontinu du faisceau énergétique pendant un intervalle de temps prédétermine, de façon que chaque élément superficiel du groupe soit sollicité plusieurs fois par le faisceau, jusqu't ltobtention du traitement désiré. Dans le cas de l'exemple de réalisation selon figure 8, le faisceau énergétique se déplace d'abord de point en point, dans l'ordre 21 à 26, le long de la droite en tirets supérieure, puis dans l'ordre inverse de 26 à 21, ce mouvement de va-et-vient du faisceau étant répété sur la rangée de points jusqu'à ce que les modifications structurales désires soient obtenues en tous les points 21 à 26. Un apport d'énergie au matériau superficiel entre deux points successifs est soit évité, soit très faible. Le faisceau énergétique est ensuite dévié jusqu'à la ligne suivante, comportant les points 27 à 32, puis le mouvement discontinu de va-et-vient le long de cette rangée de points peut commencer. Les memes opérations se répètent ensuite pour les rangées de points suivantes 33 à 38 et 39 à 44.Un groupe comprend normalement un nombre d'idiots de refonte ponctuels beaucoup plus élevé que ne l'indique la figure 8, par raison de clarté. La superposition d'au moins deux mouvements de déviation à haute fréquence permet toutefois d'appliquer le faisceau énergétique aux points 21-44 dans un ordre différent. Avec cette méthode de mouvement de déviation discontinu du faisceau énergétique, il est important d'adopter une fréquence de saut suffisamment élevée pour qu'entre deux apports d'énergie successifs à un même élément superficiel, la chute de température sur ce dernier ne tombe pas au-dessous d'une limite inférieure définie, de façon à obtenir un apport d'énergie "quasi-simultané" à tous les éléments superficiels d'un groupe et par suite un état pratiquement simultané des modifications structurales de tous les points du groupe. Un mouvement de déviation discontinu similaire du faisceau énergétique de traitement permet aussi de produire des groupes d'ilotes de refonte linéaires, comme le montre par exemple la figure 9, qui représente une partie 17 de la surface d'une pièce. Chacune des rangées d'îlots linéaires 51 à 54, 55 à 58, 59 à 62 et 63 à 66 de la partie superficielle 17 est produite par des mouvements alternatifs, discontinus et successifs du faisceau énergétique ou un apport "quasi-simultané" d'énergie est assuré à tous les ilotes 51-66 par la superposition de mouvements de déviation à haute fréquence. La surface d'une pièce peut, comme précédemment indiqué, comporter un nombre total élevé de groupes séparés d'ilotes de refonte, comme le montre par exemple la figure 10. Cette dernière est la vue en plan d'une surface 19, avec deux rangées de groupes d'ilôts 18, dont chacun est formé par la réunion d'pilots de refonte allongés et séparés 20, du type représenté à la figure 1 ou 9. Dans certaines applications, il est avantageux d'effectuer le traitement de refonte à l'aide d'un faisceau énergétique de façon que les volumes de matériau d'une pièce correspondant aux éléments superficiels choisis présentent après traitement un profil en profondeur prédétermine. Un tel profil est adapté de préférence à la largeur ou à la forme d!un ilt de refonte. Pour obtenir en particulier des profils en profondeur pratiquement parallélépipédiques avec des éléments superficiels pratiquement rectangulaires, le faisceau énergétique de traitement peut effectuer un ou plusieurs mouvements de déviation oscillants par élément de surface. Des exemples correspondants sont représentés aux figures 11 et 13.Le balayage d'un élément superficiel rectangulaire 45 selon figure 11 par l'énergie du faisceau et la production simultanée d'un profil de refonte 49, sensiblement parallélépipédique et intéressant un volume de matériau correspondant selon figure 13, s'obtiennent par un balayage haute fréquence du faisceau sur l'élément superficiel 45, au moyen d'un oscillation en dents de scie 47, dont les flancs sont naturellement beaucoup plus rapprochés que sur la figure. I1 a avantage à superposer à ce balayage du faisceau une seconde déviation, perpendiculaire à la première, de façon à obtenir de nouveau un apport d'énergie "quasi-simultané" sur tout l'élément superficiel 45. Pour obtenir des profils en profondeur pratiquement cylindriques avec des éléments superficiels pratiquement circulaires, le faisceau énergétique est soumis à un mouvement de déviation circulaire ou en spirale sur chaque élément superficiel, afin d'assurer le balayage requis de la surface par l'énergie du faisceau. Comme le montre la figure 12, le faisceau énergétique décrit une spirale 48 sur un élément superficiel circulaire 46, les spires de la spirale 48 étant dans ce cas aussi beaucoup plus rapprochées en réalité. La figure 14 représente le profil de refonte 50 ainsi obtenu, pratiquement cylindrique et intéressant un volume de matériau correspondant. L'application du procédé selon l'invention au traitement par refonte d'éléments de construction d'un moteur à piston rotatif par exemple entraîne l'avantage essentiel suivant: les surfaces de ces éléments de construction peuvent comporter, suivant une configuration prédéterminée et correspondant à la géométrie d'usure, de nombreux éléments superficiels sensiblement linéaires, séparés et traités par refonte, de sorte que la surface abrasive d'un autre élément de construction, en contact avec un tel élément de construction, s'applique alors à tout instant du mouvement relatif sur un groupe défini d'éléments superficiels traités par refonte. Une autre application préférentielle du procédé selon l'invention est le traitement par refonte des sièges de soupape sur les culasses de moteurs à combustion interne, les configurations selon figures 5 à 7 des éléments superficiels traités par refonte convenant particulièrement bien dans ce cas. On a par exemple constaté que des sièges de soupape en matériau moulé présentent après traitement par le procédé selon l'invention une dureté Vickers d'environ 900 et une résistance au revenu d'environ 600 "C sur les éléments superficiels traités. Le procédé selon l'invention présente de nombreuses autres possibilités d'application. Bien entendu, diverses modifications peuvent hêtre apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé pour le traitement de pièces5 éléments de machine ou autres par refonte à l'aide d'un faisceau énergétique, ledit procédé étant caractérisé en ce que la totalité ou des parties déterminées de la pièce ou autre élément sont traitées par éléments superficiels relativement petits et séparés, dont le nombre et la disposition sont prédéterminés, et qui seuls subissent des modifications structurales par fusion à l'aide d'un faisceau énergétique, puis refroidissement à vitesse contrôlée. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le traitement est réalisé de façon que les modifications structurales produites par la fusion et le refroidissement ultérieur s'étendent aussi à un volume de matériau défini, sous les éléments superficiels choisis. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le traitement est réalisé sur des éléments superficiels ponctuels. 4. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le traitement est réalisé sur des éléments superficiels linéaires. 5. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le traitement s'effectue sur des éléments superficiels étendus. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement s'effectue sur des éléments superficiels d'au moins deux formes différentes. 7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau énergétique effectue un mouvement de déviation discontinu à haute fréquence par rapport à la surface de la pièce ou autre élément à traiter, de façon à agir brièvement, après chaque saut, sur un élément d'un groupe d'éléments superficiels choisis, et ce mouvement de déviation discontinu du faisceau énergétique est répété périodiquement pendant un intervalle de temps prédéterminé, de sorte que chaque élément superficiel du groupe est sollicité plusieurs fois par le faisceau, jusqu'à l'obtention du traitement désiré. 8. Procédé selon revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence du mouvement de déviation discontinu du faisceau énergétique est suffisamment élevée pour qu'entre deux apports d'énergie successifs à un même élément superficiel, la chute de température de ce dernier ne tombe pas au-dessous d'une valeur limite inférieure définie, de sorte qu'on obtient un apport d'énergie "quasi-simultané" à tous les éléments superficiels. 9. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que le traitement est réalisé de façon que les volumes de matériau correspondant aux éléments superficiels choisis présentent après traitement un profil en profondeur prédéterminé. 10. Procédé selon revendication 9, caractérisé en ce que le faisceau énergétique de traitement effectue un ou plusieurs mouvements de déviation oscillants par élément superficiel, pour la formation de profils en profondeur pratiquement paralléldpipédiquesavec des éléments superficiels pratiquement rectangulaires. 11. Procédé selon revendication 9, caractérisé en ce que le faisceau énergétique de traitement effectue un mouvement de déviation circulaire ou en spirale par élément superficiel, pour former des profils en pro tondeur pratiquement cylindriques avec des éléments superficiels pratiquement circulaires. 12. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le faisceau énergétique utilisé est un faisceau électronique. 13. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à-12, caractérisé par son application au traitement par refonte de pièces, éléments de machine ou autres en matériaux de moulage, tels que la fonte. 14. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par son application au traitement par refonte des éléments de construction d'un moteur à piston rotatif. 15. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par son application au traitement par refonte des sièges de soupape sur les culasses de moteurs à combustion interne.