Brevet FR2311101A1 — publié le 19761210

La présente invention concerne un procédé de traitement d'une surface de glissement faisant appel à un revetement par explosion de fil, et concerne plus particulièrement un procédé de traitement d'une surface de glissement faisant appel à un revetement par explosion de fil, permettant de fabriquer des cylindres destinés à des moteurs à combustion interne présentant de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure, à l'écaillement et au grippage, et une qualité uniforme3 ces cylindres pouvant entre réalisés de façon peu coûteuse en un grand nombre d'exemplaires sans entraîner la production d'effluents polluant l'environnement. Traditionnellement, les cylindres destinés aux moteurs à combustion interne étaient réalisés en fonte3 ou en aluminium avec une chemise en fonte. Cependant, dans les moteurs modernes à puissance et performances élevées, le cylindre classique s'est avéré insuffisant du fait de ses caractéristiques de refroidissement médiocres, ce qui constitue une difficulté importante dans la fabrication des moteurs. Pour surmonter ces difficultés, on a utilisé récemment dans certaines applications des cylindres en aluminium à revetement de chrome dans lesquels la surface de glissement interne est revetue de chrome. Cependant, la fabrication de ces cylindres met en jeu un procédé de revetement produisant un effluent liquide pouvant provoquer une pollution de l'environnement.De plus, ce procédé nécessite une infrastructure importante et la durée totale nécessaire pour le traitement préalable, le traitement principal et le traitement final est très longue. En conséquence, ce procédé. nécessite un grand nombre d'heures de main-d'oeuvre par cylindre, et le coot de fabrication est donc élevé. D'autre part, un grand nombre de procédés ont été proposés pour effectuer un revetement métallique sur la surface de glissement interne d'un bloc-cylindre en aluminium. Parmi ces procédés, on peut citer le procédé de revetement à la flamme. Ces procédés peuvent comporter la formation préalable sur le matériau du bloc moteur d'une sous-couche d'adhérence en molybdène, par revetement à la flamme, de façon à augmenter le degré d'adhérence entre le matériau du bloc-cylindre et la couche de revetement. Cependant, le revetement à la flamme classique permet difficilement de fabriquer en grande série et à faible cotit des cylindres dotés d'une couche de revetement déposée à la flamme présentant une densité élevée et étant très lisse. En conséquence, l'invention a pour objet un procédé de traitement d'une surface de glissement éliminant les inconvénients mentionnés ci-dessus des procédés selon l'art antérieur, en utilisant un procédé de revetement par explosion de fil ayant pour avantages de permettre d'obtenir une couche de revetement présentant une adhérence élevée, et de pouvoir etre facilement appliqué à la surface interne d'un cylindre. Un procédé de traitement d'une surface de glissement selon l'invention est caractérisé en ce que :-on effectue un revetement par explosion de fil, à partir d'un fil de molybdène, d'un fil d'alliage de molybdène et de tungstène, ou d'un fil de tungstène, sur la surface de glissement interne d'un cylindre constitué par exemple par un alliage d'aluminium, de façon à déposer une sous-couche d'adhérence sur cette surface de glissement; on effectue de façon alternative et répétée des revetements par explosion de fil, à partir respectivement d'un fil d'acier au carbone et d'un fil d'un matériau présentant de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure et au grippage, ces revetements alternés étant appliqués sur la sous-couche d'adhérence de façon.à former des couches stratifiées d'acier au carbone servant à renforcer la surface de glissement, et des couches présentant une bonne résistance à l'usure et au grippage; et on rectifie ensuite la surface de glissement interne ainsi formée, de façon à assurer sa finition. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue partielle agrandie et en coupe d'un cylindre destiné à etre utilisé dans un moteur à combustion interne, ce cylindre ayant reçu un traitement de surface par le procédé correspondant à l'invention; - la figure 2 représente un schéma électrique d'un dispositif de revetement par explosion de fil utilisé pour accomplir le revetement par explosion de fil; - les figures 3a et 3b sont des vues en coupe d'un cylindre montrant les points auxquels l'usure est mesurée, - la figure 4 est un graphique montrant l'usure mesurée dans un cylindre classique à chemise de fonte, et dans un cylindre revetu par explosion de fil, conformément à l'invention;; - la figure 5 est un diagramme correspondant à une mesure par diffraction de rayons X effectuée sur la couche de revetement déposée par explosion de fil, montrant l'emplacement des nitrures de fer et de titane; et - les figures 6a et 6b sont des photographies obtenues par un dispositif de micro-analyse à sonde électronique, représentant la couche de revetement déposée par explosion de fil et imprégnée de MoS2, la figure 6a montrant l'image correspondant à la composition déposée, et la figure 6b montrant l'image caractéristique du molybdène dans l'analyse par rayons X. Le revetement par pulvérisation par explosion de fil est un procédé mis au point récemment dans lequel un courant électrique constitué par une impulsion de forte intensité traverse un fil de façon à le faire fondre et à le pulvériser- dans l'atmosphère ou dans un gaz inerte environnant, le matériau constituant le fil fondant et explosant instantanément en projetant à très grande vitesse des particules fondues pulvérisées en direction du matériau à revetir. L'invention concerne la fusion et la pulvérisation de matériaux spécifiques sur la surface interne d'un cylindre, tel qu'un cylindre en alliage d'aluminium, ces matériaux étant pulvérisés dans un ordre déterminé en utilisant le procédé de pulvérisation par explosion de fil mentionné précédemment. Comme il a été indiqué ci-dessus, on sait que,dans le cas où un matériau est déposé sur la surface de glissement d'un bloccylindre en aluminium par un procédé de revetement à la flamme, l'adhérence entre le matériau du bloc-cylindre et le matériau déposé par revetement à la flamme est améliorée si une sous-couche d'adhérence en molybdène est formée préalablement sur la surface de glissement, par revetement à la flamme avec du molybdène. Cependant, dans le cas où l'on réalise un revetement par pulvérisation par explosion de fil, il est également possible de déposer une sous-couche d'adhérence présentant une adhérence élevée, et réalisée à partir d'un matériau à point de fusion élevé autre que le molybdène, comme par exemple un alliage de molybdène et de tungstène, ou du tungstène. Ainsi, les particules fondues de molybdène ou de tungstène, par exemple, créées par la pulvérisation par explosion de fil et possédant une température supérieure à leur température de fusion, entrent en collision avec l'alliage d'aluminium constituant le bloc-cylindre et adhèrent à ce bloc-cylindre par un effet mécanique "d'ancrage"3 en faisant fondre une partie de la couche superficielle du bloc-cylindre, ce qui donne lieu à un mélange et à une diffusion des particules à l'intérieur du matériau du bloc-cylindre. De ce fait, la force d'adhérence entre l'alliage d'aluminium du bloc-cylindre et la couche de revetement déposée par pulvérisation par explosion de fil dépasse 500 kg/cm2.Cette valeur est suffisante pour résister aux cycles thermiques et aux chocs mécaniques auxquels la couche de revetement est soumise lorsqu'elle est utilisée comme surface de glissement d'un cylindre pour moteur à combustion interne. L'épaisseur du revetement formé par une seule pulvérisation par explosion de fil est de l'ordre de 5 à 15,u, et il est donc nécessaire de réaliser de une à trois pulvérisations par explosion de fil pour obtenir une couche d'adhérence ayant l'épaisseur nécessaire. I1 n'est pas nécessaire de procéder à quatre pulvérisations par explosion de fil, ou davantage, pour réaliser une telle couche d'adhérence.Une couche d'adhérence formée par un seul matériau ne présente pas de caractéristiques suffisantes de résistance à l'usure et au grippage pour servir de surface de glissement du cylindre d'un moteur à combustion interne, et il est donc nécessaire de revetir la couche d'adhérence de couches faites de matériaux différents et pouvant fournir à la surface de glissement les caractéristiques de résistance à l'usure et au grippage nécessaires. En conséquence, après avoir formé la couche d'adhérence par pulvérisation par explosion d'un fil de molybdène, d'un fil d'alliage de molybdène et de tungstène, ou d'un fil de tungstène, on pulvérise par explosion un fil d'acier au carbone sur la couche d'adhérence, de manière à former une couche d'acier au carbone servant à renforcer mécaniquement la surface de glissement. Ensuite, on dépose sur la couche d'acier au carbone, par pulvérisation par explosion de fil, un matériau choisi dans le groupe comprenant le molybdène, les alliages de molybdène et de tungstène, le tungstène, le chrome, les alliages de nickel et de chrome et le titane.De plus, la pulvérisation par explosion d'un fil d'acier au carbone et la pulvérisation par explosion d'un fil constitué par l'un des six matériaux cités ci-dessus sont accomplies alternativement et de façon répétée pour obtenir une couche de revetement composite ayant une épaisseur de l'ordre de 50 à 120/u. Les deux matériaux différents se mélangent dans la couche de revetement composite, et celle-ci forme un revetement lisse d'épaisseur uniforme. Enfin, la surface de la couche de revetement composite est rectifiée et subit une finition pour former la surface de glissement du cylindre. L'acier au carbone contenu dans la couche de revetement composite déposée par explosion de fil est rendu martensitique et est fortement durci du fait du refroidissement rapide suivant la pulvérisation par explosion de fil.Cette couche composite comprenant de l'acier au carbone et du molybdène (ou un alliage de molybdène et de tungstène, du tungstène, du chrome, un alliage de nickel et de chrome , ou du titane) présente une porosité appropriée (3 à 5%). Les pores jouent le roule de réservoir dthuile, ce qui donne à la surface de glissement (surface rectifiée) d'excellentes caractéristiques de résistance à l'usure et au grippage. La figure 1 montre un exemple d'une coupe de la surface de glissement ainsi formée. On décrira maintenant des modes de réalisation de l'invention. La figure 2 montre un schéma électrique d'un dispositif de pulvérisation par explosion de fil utilisé pour accomplir le revetement par pulvérisation par explosion de fil correspondant à l'invention. Ce dispositif comporte un dispositif de charge CS, une résistance de charge R, un condensateur C ayant une capacité de 90/uF par exemple, et un interrupteur de décharge SW, comme il est représenté sur le dessin. Le matériau métallique W à pulvériser est placé près du matériau à revêtir, par exemple à l'intérieur d'un cylindre CYL devant etre revetu, et est connecté entre les bornes de sortie du dispositif de pulvérisation. Tout d'abord, la surface intérieure dtun cylindre en alliage d'aluminium ayant un diamètre interne de 80,5 mm et une longueur de 140 mm est nettoyée et dégraissée avec du perchloréthylène. Un fil de tungstène d'un diamètre de 1,5 mm et d'une longueur de 180 mm est placé dans le cylindre et est pulvérisé par explosion de façon à former une couche de revetement en tungstène sur la surface intérieure du cylindre, en utilisant le dispositif mentionnéci-dessus. La pulvérisation par explosion de fil est réalisée avec une tension de décharge de 18,9 kV. La couche de revetement de tungstène ainsi formée possede une épaisseur d'environ 5lu. On forme ensuite sur la surface deux couches d'acier au carbone, en réalisant séparément la pulvérisation par explosion dans le cylindre de deux cordes à piano de 1,6 mm de diamètre et de 180 mm de longueur, à une tension de décharge de 14,4 kV, puis on forme ensuite une couche de molybdène sur les couches d'acier au carbone en pulvérisant par explosion dans le cylindre un fil de molybdène de 1,55 mm de diamètre et de 180 mm de longueur, sous une tension de 17,4 kV. On répète ensuite dix fois l'opération de revetement par explosion de fil consistant à déposer deux couches d'acier au carbone et une couche de molybdène. Ensuite, la surface ainsi obtenue est rectifiée de façon à assurer la finition de la surface interne du cylindre en alliage d'aluminium revetu d'une couche composite d'une épaisseur de tordre de 80/u, déposée par explosion de fil. Le cylindre ainsi obtenu, un cylindre classique à chemise en fonte et un cylindre à revetement de chrome ont été montés respectivement sur un moteur à deux temps, refroidi par air, destiné à une motocyclette, présentant une cylindrée de 360 cm (alésage de 80,5 mm et course de 68 mm), et les performances de ces différents cylindres ont été controlées. La figure 4 représente l'usure mesurée dans le cylindre à chemise en fonte et l'usure mesurée dans le cylindre revetu par pulvérisation par explosion de fil, correspondant à l'invention. Les figures 3a et 3b montrent les points auxquels est mesurée l'usure, et l'usure indiquée sur la figure 4 correspond à la valeur moyenne entre les valeurs mesurées dans les directions X et Y, aux points A, A', B et B'. Le graphique de la figure 4 montre que l'usure du cylindre comportant un revetement réalisé par pulvérisation par explosion de fil, correspondant à l'invention, est inférieure à la moitié de l'usure du cylindre à chemise en fonte, et le cylindre obtenu par le procédé correspondant à l'invention possède donc une endurance suffisante. De plus, le cylindre correspondant à l'invention, comportant un revetement réalisé par pulvérisation par explosion de fil, ne présente aucun écaillement du revetement après un essai d'endurance de 200 h. Au contraire, dans le cas du cylindre à revetement de chrome, un écaillement du revetement s'est produit après environ 2 h d-essai de fonctionnement dans les memes conditions. Dans le cas du cylindre comportant un revetement réalisé par pulvérisation par explosion de fil, il est possible d'amincir la couche de revetement jusqu'à 100 à 50/u environ, ce qui donne au cylindre une conductivité thermique élevée, et donc de bonnes caractéristiques de refroidissement. De plus, le molybdène et l'alliage de molybdène et de tungstène présentent une auto-lubrification empêchant le grippage du métal, les pores de la couche de revetement déposée par explosion de fil jouant le roule de réservoir d'huile.Du fait des effets et des propriétés indiqués ci-dessus, le cylindre comportant un revetement déposé par pulvérisation par explosion de fil présente une résistance au grippage excellente par rapport à celle du cylindre à chemise en fonte et à celle du cylindre à revetement de chrome, utilisés avec un piston en aluminium et des segments en fonte. Dans le cas où un fil en alliage de molybdène et de tungstène, ou un fil de tungstène, est pulvérisé par explosion sur la surface interne d'un cylindre en alliage d'aluminium > pour former une couche d'adhérence sur cette surface, et dans le cas où un fil en acier au carbone et un fil en -ailiage de molybdène et de tungstène, ou un fil de tungstène, sont pulvérisés par explosion de façon alternative et répétée pour former une couche de revttement composite sur la couche d'adhérence, on obtient un cylindre présentant pratiquement les mimes propriétés que celui du mode de réalisation mentionné précédemment. Dans le cas où l'on forme une couche de revOtement composite à l'aide d'un fil de chrome, le fil de chrome à pulvériser est fabriqué par un procédé d'extrusion mettant en jeu la technique de la métallurgie des poudres, et subit un frittage préalable, puis un frittage, dans un four à vide. Pans ce cas, un revêtement composite multicouche, composé de couches stratifiées de chrome et d'acier au carbone, est formé sur la couche d'adhérence. La couche de revetement réalisée par pulvéri- sation par explosion d'un fil de chrome possède une dureté Vickers de l'ordre de 200 à 250, et la couche de revêtement formée par pulvérisation par explosion d'un fil d'acier au carbone présente une dureté Vickers de l'ordre de 700 à 800.Du fait que les différentes couches ayant les duretés indiquées sont combinées dans la couche de revetement composite déposée par pulvérisation par explosion de fil, cette couche composite présente une bonne résistance à l'usure et une bonne résistance à la chaleur. De plus, du fait qutil existe ùne tres mince pellicule d'oxyde à la surface du chrome, la couche composite présente également une excellente résistance au grippage. Dans le cas où l'on utilise pour le fil en alliage nickel-chrome un fil en un alliage dénomma "Chroman E" (Fe 16%, Ni 50%, Cr 33X, Mn 1%),- on dépose de façon alternative et répétée une couche d'acier au carbone et une couche de "Chroman E", en-pulvérisant par explosion des fils d'acier au carbone et des fils de "Chroman E", du fait que ce dernier matériau contient une proportion importante de fer. Dans ce cas, la couche composite de revetement possède une dureté Vickers de l'ordre de 700, et donne pratiquement le même effet que lorsqu'on utilise du chrome. Dans le cas où l'on utilise un fil de titane, le revetement de titane comporte une faible quantité d'oxyde Tel02 produit par l'oxydation du titane lorsque le fil de titane est pulvérisé par explosion dans l'air, ce qui fait que la couche de revetenent composite contenant du titane présente d'excellentes caractéristiques de résistance au grippage.De plus, lorsque le cylindre comportant cette couche de revetement est utilisé dans un moteur à essence, le carbone contenu dans l'essence réagit avec le titane contenu dans la couche de revOtement > par effet de "getter" (ou de piège), de façon à transformer une partie du titane en TiC, ce qui augmente la dureté du revttement ainsi que les caractéristiques de résistance au grippage de ce revetement. Dans le cas où la pulvérisation par explosion de fil est réalisée en atmosphère d'azote, en utilisant par exemple des fils d'acier et de titane, le fer et le titane sont partiellement transformés en nitrures, comme il est indiqué sur la figure 5. De ce fait, la couche de revetement formée par pulvérisation par explosion de fil dans une atmosphère d'azote présente une dureté Vickers de l'ordre de 900 à 1000. Du fait que les nitrures présentent des caractéristiques excellentes en ce qui concerne la résistance au grippage, la couche de revetement comportant ces nitrures présente d'excellentes caractéristiques de résistance au grippage, et présente également de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure. Dans le cas où l'on utilise un fil en un matériau composite, réalisé à partir de différents métaux, comme par exemple l'acier et le molybdène, l'acier et le tungstène, l'acier ét le chrome, l'acier et le titane, différents métaux en poudre sont soumis à une opération d'extrusion faisant appel aux techniques de la métallurgie des métaux en poudre, puis subissent un frittage préalable et un frittage dans un four à vide, de façon à donner un fil en un matériau composite. Les particules du matériau brut en poudre doivent avoir de préférence une taille appropriée (de l'ordre de 5/u par exemple), de manière que les deux matériaux différents ne soient pas alliés de façon parfaite au cours du frittage. En effet, les caractéristiques des matériaux respectifs contenus dans le fil en matériau-composite doivent etre maintenues ef1,cacement dans le revêtement déposé par pulvérisation par explosion de fil. On sait que le bisulfure de molybdène et le bisulfure de tungstène sont des lubrifiants solides excellents. En imprégnant la couche de revêtement déposée par pulvérisation par explosion de fil avec un tel lubrifiant solide, de manière que le lubrifiant remplisse les pores de la couche, on améliore les caractéristiques de lubrification et de résistance au grippage du cylindre. Les figures 6a et 6b sont des photographies résultant d'une micro-analyse par sonde électronique d'une coupe d'un revetement formé en déposant de façon alternative et répétitive, par pulvérisation par explosion de fil, une corde à piano et un fil de tungstène sur une couche d'adhérence en molybdène, avec imprégnation de bisulfure de molybdène. La figure 6a montre l'image de la couche composite, et la figure 6b montre l'image caractéristique du molybdène dans l'analyse par rayons X. Ces photographies montrent que la couche de revêtement réalisée par pulvérisation par explosion de fil est imprégnée de bisulfure de molybdène. L'imprégnation de particules de bisulfure de molybdène dans la couche de revêtement réalisée par pulvérisation par explosion de fil est accomplie en imprégnant la couche de revêtement avec une suspension de bisulfure de molybdène, tout en soumettant la couche de revêtement à une vibration à la fréquence de 10 kllz pendant 30 mn. Apres l'imprégnation, la couche de revêtement subit un traitement thermique à 1700C dans l'air, pendant une durée de 1 h, de façon à durcir le liant du bisulfure de molybdène. Les explications précédentes montrent que le procédé selon l'invention permet d'obtenir un cylindre destiné à un moteur à combustion interne présentant d'excellentes caractéristiques de résistance à l'usure, à l'écaillement et au grippage. De plus, les conséquences de l'invention sont les suivantes (1) Du fait qulil n'est pas nécessaire de fabriquer une chemise et de l'introduire dans le cylindre, il est possible de diminuer le prix de fabrication du cylindre, par rapport à un cylindre à chemise, meme en tenant compte du prix du revêtement par pulvérisation par explosion de fil. (2) Le procédé selon l'invention est avantageux par rapport au procédé consistant à réaliser un revetement de chrome dans les cylindres, en ce qui -concerne le traitement préalable, le temps de main-d'oeuvre, le traitement final, la proportion de pièces défectueuses, et l'équipement nécessaire. L'invention permet ainsi de réduire le prix de fabrication de l'ordre de 40%, ou plus, par rapport au cas des cylindres à revetement de chrome. (3) I1 y a élimination des possibilités de pollution de l'environnement qui existent dans le cas des cylindres à revêtement de chrome, du fait des effluents liquides produits par l'opération de revetement avec du chrome. (4) La pulvérisation par explosion de fil pouvant etre commandée électriquement, il est facile de fabriquer des pièces de qualité uniforme et d'automatiser le matériel de fabricationss ce qui permet de réaliser une fabrication en grande série à un faible coût. (5) En utilisant dans un moteur des cylindres revêtus par pulvérisation par explosion de fil, il est possible de réaliser un moteur plus léger que les moteurs ayant des cylindres classiques. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par lthomme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O-N S 1. Procédé de traitement d'une surface de glissement, caractérisé en ce que : on réalise un revêtement de la surface interne de glissement d'un cylindre en alliage d'aluminium, par pulvérisation par explosion de fil, en utilisant un fil en un matériau choisi dans le groupe comprenant le molybdène, les alliages tungstène et de molybdène et le tungstène, de façon à former une couche d'adhérence; on dépose sur la surface dudit revetement, de façon alternative et répétitive, une couche obtenue en pulvérisant par explosion un fil d'acier au carbone servant à renforcer la surface de glissement, et une couche formée par pulvérisation par explosion d'un fil d'un matériau ayant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure; et on effectue une rectification et une finition de la surface interne de glissement comportant un revêtement stratifié. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué en un matériau présentant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil de molybdène. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué par un matériau ayant de bonnes -caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil en alliage de molybdène et de tungstène. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué en un matériau ayant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil de tungstène. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué en un matériau ayant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil de chrome. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué en un matériau ayant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil en un alliage de nickel et de chrome. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil constitué en un matériau ayant de bonnes caractéristiques de résistance au grippage et à l'usure est un fil de titane. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fil d'acier au carbone et ledit fil de titane sont alternativement pulvérisés par explosion sur ladite couche d'adhérence, dans une atmosphère d'azote, de façon à former alternativement et à stratifier deux sortes de couches comportant des nitrures. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après la formation de ladite couche d'adhérence, on pulvérise par explosion sur ladite couche d'adhérence un fil en un alliage d'acier et d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le molybdène, le tungstène, le chrome et le titane, ce qui donne un revêtement de la surface interne dans lequel les deux composants de l'alliage sont présents à l'état de mélange. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface interne de revêtement réalisée par pulvérisation par explosion de fil, ayant subi l'opération de finition, est amenée en contact avec une suspension de bisulfure de molybdène ou de bisulfure de tungstène en poudre, en étant'soumise à des vibrations, de manière que la couche de revêtement soit imprégnée de bisulfure de molybdène ou de bisulfure de tungstène jouant le rible de lubriant solide.