Brevet FR2377884A1 — publié le 19780818

L'invention concerne l'amélioration des performances d'éléments de machine opposés qui glissent l'un sur l'autre, et elle concerne en particulier des éléments de machine représentés par des métaux ferreux opposés à du bronze. Pratiquement, l'invention va être décrite sous la forme d'une pompe hydraulique qui peut être aussi employée comme moteur, ci-dessous désignée comme dispositif de transfert d'énergie fluide. Un tel dispositif est caractérisé par un barillet à cylindres tournant. Ce barillet est muni d'alésages axiaux pour des pistons à mouvement alternatif. Ces pistons possèdent à une extrémité des sabots en contact avec la face d'une plaque de came inclinée, et lorsque le barillet tourne, les pistons effectuent un va et vient à mesure que les sabots se déplacent suivant un chemin circulaire sur la face de la plaque de came. L'amplitude de la course des pistons dépend de l'angle de la plaque de came. Lorsqu'un piston se retire, il aspire un volume correspondant de fluide hydraulique à basse pression dans le vide s'agrandissant de l'alésage de cylindre et plus tard lorsque ce piston rentre, le même volume est soumis à pression et déplacé. Lorsque le barillet tourne, les sabots de piston tournent au contact de la surface de la plaque de came à l'extrémité opposée du barillet.Concurrement, les extrémités des cylindres opposées aux sabots sont successivement mises en communication avec un orifice d'entrée (entrée de fluide ê basse pression) et un orifice de sortie (sortie de fluide à haute pression). Les orifices d'entrée et de sortie peuvent "etre situés sur une plaque à orifices contre laquelle tourne le barillet. Pour réduire le frottement, il est habituel de ménager des revêtements en bronze sur les sabots qui autrement sont en acier, et de revêtir soit la plaque à orifices, soit l'extrémité qui lui est opposée du barillet à cylindres avec du bronze. Un corps de cylindre et un corps de sabot en acier massif sont préférés par suite de la résistance supérieure (résistance à la fatigue) de l'acier cornparée à celle d'une pièce tout en bronze. Usuellement le revêtement en bronze est un revêtement électrolytique mais,selon le brevet américain NO 3.709.I07, le bronze peut être apporté par un revêtement en fer pulvérulent e imprégné de bronze. Les limitations d'un revetement électrolytique en bronze sont connues: il est coûteux à appliquer, et il est difficile à régler, ce qui se traduit par des rejets de pièces qui ne satisfont pas aux normes de qualité. Dans le cas de revêtement en fer pulvérulent imprégné de bronze, l'effet du bronze est nécessairement dilué par le ferc L'intérêt d'un recouvrement ou revetement en bronze coulé in-situ a été reconnu. Il s'agit de réaliser une résistance de liaison acceptable à l'interface d'un métal ferreux accouplé à une structure en bronze saine et résistante.Par exemple, nous avons trouvé que parmi les facteurs contribuant à une faible résistance de liaison entre le bronze et le métal de base se trouvait un composé intermétallique fragile formé à l'interface acierbronze. L'invention a pour but, en conséquence, d'éviter ce composé en limitant rigoureusement les quantités admissibles de phosphore dans le bronze. De plus, il a été trouvé, maintenant, qu'un bronze avec une résistance supérieure est obtenu par une croissance cristalline dendritique du bronze extérieurement à son interface avec l'acier, le long d'axes préférentiels. L'invention sera moeux comprise à l'aide de la descrip tion ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure I est une vue en bout d'une pompe connue ; - la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure I. - la figure 3 est une vue schématique d'un appareil de traitement. - la figure 4 est une élévation d'une pièce terminée. - les figures 5 à 8 sont des microphotographies. Un mode de réalisation de l'invention peut etre appliqué à un dispositif de translation d'énergie à pression de fluide, sous la forme d'une pompe à pistons axiaux à débit variable dont le fonctionnement est généralement conforme à celui de la pompe similaire décrite dans le bfevet américain NO 2.835.228. Ce dispositif peut être aussi bien mis en marche dans le sens inverse, fonctionnant alors comme moteur hydraulique. La pompe 20 comporte un corps extérieur 21 (figure 2) qui forme une chambre agrandie 22 dans laquelle un barillet à cylindres 23 est disposé pour tourner. Ce barillet à cylindres contient la chambre expansible pour la translation d'un fluide entre les limites de pression haute t basse comme il sera expliqué. Le barillet tourne dans le corps extérieur ou boitier sous l'entraînement d'un arbre commandé par engrenage 24 et claveté sur le barillet à cylindres. Le barillet à cylindres possède une extrémité en contact glissant affleuré avec la face opposée d'une tête a raccords 25 fixée au corps 21. Cette tête à raccords possède de grandes ouvertures 27 et 28 constituant des passages d'entrée ( à basse pression) et de sortie (à haute pression) auxquels peuvent être raccordées des conduites pour conduite le fluide a la pompe ou en dehors de la pompe, respectivement. Pour définir et former la chambre expansible, le barillet à cylindres est formé avec des chambres ou cylindres 32 individuelles à piston, et un piston 37 est disposé dans chaque cylindre pour y aller et venir. Chaque piston est une pièce travaillant effectivement à transférer le fluide d'entrée à basse pression disponible à l'entrée 17 à la sortie 28 où il est délivré sous forme de fluide à haute pression pour transmission ultérieure au système hydraulique desservi. Pour déterminer et faire varier la cylindrée, une pièce de commande de cylindrée en forme de plaque de came 38 est montée dans le corps 21peut être disposée suivant un certain angle relativement à l'axe du barillet à cylindres. Cet angle de la pièce de commande, non représenté sur la figure 2 détermine la course des pistons comme exposé dans le brevet La plaque de came 38 est portée par un support de suspension 43 qui possède des pièces d'extrémité telles que 43 E montées à pivotement sur des axes de tourillonnement 43 P. Ces axes de tourillonnement 43 P sont montés sur les côtés du corps 21, et d'après ceci on voit que la plaque de came peut être inclinée autour de l'axe commun des axes de tourillonnement, ce' quoi explique la variation de course des pistons. Afin de transférer le fluide, les pistons 37 sont forcés dexsuivre la plaque de came 38 par des moyens comportant des sabots de support 44 qui sont en contact glissant avec la plaque de came 38. L'extrémité de chaque piston adjacente à la plaque de came est munie d'une tête sphérique 46 montes dans une douille du sabot correspondant 44 pour former un joint universel, assurant ainsi le mouvement articulé de va et vient des pistons lorsque le barillet à cylindres est mis en rotation.Le centre de chaque tete sphérique est également écarté de la face de la plaque de came sur laquelle les sabots 44 glissent, pour que chaque sabot exécute son mouvement de va et vient de façon équidistante quand le barillet à cylindres est mis en rotation ; en conséquence, les chambres expansibles' 32 sont agrandies et rétrécies de façon répétée. La tete à raccord 25 possède des orifices arqués 47 et 48, mutuellement exclusifs, constituant respectivement les orifices à basse pression et ceux à haute pression communiquant avec l'entrée 27 et la sortie 28, respectivement Vus en bout, ces orifices 47 et 48 sont arqués. Les parties de pompage (extrémités de gauche) des cylindres 32 ont des ouvertures 56 communiquant alternativement pendant la rotation du barillet à cylindres, avec les orifices d'entrée et ceux de sortie, 47 et 48 de la tête à raccords 25 ainsi qu'il est expliqué dans le brevet précité. Lorsqu'un cylindre communique avec l'orifice d'entrée 47, le piston est en cours de rétraction pour augmenter la chambre de cylindre pour permettre au fluide de passer de l'entrée 47, par un orifice d'extrémité de cylindre tel que 56, dans l'intérieur du cylindre;Quand l'ouverture 5i communique avec l'orifice arqué de sortie 48, le piston intéressé est dans son mouvement de contraction de la chambre du cylindre pour évacuer sous pression le fluide par l'orifice arqué de sortie 48 Ainsi, au moment où un piston est obligé par la plaque de came inclinée de s'éloigner de son ouverture de cylindre 56, cette ouverture de cylindre 56 est reliée par soupape au système d'entre 27-47 pour permettre au fluide de se déplacer dans la chambre grandissante du cylindre , tandis que, en raison des dispositions de soupape et chronologiques, lorsqu'un piston est poussé dans la direction opposée, le fluide est transféré sous pression à travers l:ouver- ture 56 vers la sortie ou système de refoulement 28-48. Dans la structure représentée à la figure 2, les extrémités des sabots 44 au contact-de la plaque de came peuvent être considérées comme revêtues par électrolyse avec du bronze en accord avec la pratique prédominante De même, en accord avec une pratique prédominante, une plaque d'usure 60, toute en bronze ou revêtue de bronze par électrolyse sur la face opposée au barillet à cylindres, est clavetée sur la tete à raccords 25 comme représenté sur la figure 2. Les considérations précédentes de la pratique prédominante sont données comme arrière plan pour lSinvention, qui doit etre maintenant expliquée en détail melon l'invention, on trouve que l'on peut obtenir une liaison de qualité supérieure entre un substrat en métal ferreux, de préférence, de l'acier mais qui-peut aussi bien être conçu avec du fer doux, et un revêtement portant en bronze coulé, couplé sur ce substrat avec une résistance élevée et une intégrité interne pour le bronze, en limitant la quantité de phosphore dans ce bronze et en assurant la solidification du bronze de manière à développer des cristaux de forme dendritique en colonne progressant vers l'extérieur de l'interface de liaison. L'invention va étre décrite en se rapportant à l'établissement d'un revetement portant en bronze, sur l'extrémité immédiate du sabot de piston, c'est-à-dire l'extrémité en contact avec la plaque de came 38 représentée sur la figure 2. L'extrémité du barillet à cylindres peut également etre revetue de bronze, de la meme manière, éliminant le besoin d'une plaque de bronze interposée entre le barillet à cylindres et la tete à raccords. Le bronze peut etre un bronze connu pourvu que le phosphore n'y excède pas environ 0, 150/o, car il a été trouvé, selon l'invention, que la cause de la réalisation d'une liaison a basse résistance inacceptable, lorsque le bronze est mélangé au contact de l'acier, pour constituer un revetement portant en bronze, est la formation d'une composition entectique phosphure-fer fragile contenant une importante proportion de Fe/3P. Un alliage de bronze convenable peut0 en conséquence, être : étain 140/0, plomb 10/o, nickel 2 / ; solde : du cuivre pratiquement pur sans dépasser 0,150/0 de phosphore. Une gamme de compositions convenables est SnO/O Nui0/0 PO/O Pub0/0 Autres Cru0/0 Max. I4,0 2,0 OgI5 IpOO O, IO Solde Min. I3,5 I,5 0,10 0,75 - Un flanc de sabot en acier 70, figure 3, de forme cylindrique est d'abord ménagé avec une cavité 72 sur une face. Un disque de bronze 74, propre, est posé dans cette cavité; laquelle est revêtue de préférence d'un flux 76. Dans certains cas, il peut n'être pas nécessaire de ménager une cavité dans le flan de sabot pour retenir le disque. Ce sous-assemblage est supporté par un tabouret de métal refroidi à l'eau 78 pour refroidit le flan de sabit en acier ; ou bien un support de refroidissement en graphite peut etre utilisé Le bronze peut maintenant etre fondu (de préférence en atmosphère protectrice) par, un enroulement d'induction ou une torche à flamme, placés au-dessus du disque en bronze coulant9 de ce fait, le bronze avec un contact de liaison métallurgique intime sur le substrat en acier. La température de la surface métallique de base à faire adhérer doit etre au-dessus du liquidus pour le bronze qui, pour l'exemple donné-est d'environ I8303F 18500F (I000 - IOIOOC) le restant du métal de base est refroidi énergiquement L-état fondu ou coulé est maintenu pour un temps suffisant de façon à à faire flotter le flux et les impuretés capturées de son fait à la surface du bronze fondu La porosité de retrait est pratiquement éliminée pendant l'étape de traitement suivante (refroidissement énergique) Le résultat est une liaison (métallurgique) par alliage du bronze et du métal ferreux sur liinterface pratiquement exempte de l'eutectique phosphure-fer (fragile) inacceptable, et cette interface aussi bien que le bronze juxtaposé sont pratiquement exempts de porosité due aux inclusions ou résultant du retrait. Une épaisseur suffisante est réalisée pour permettre à la pièce composite, après solidification, d'etre usinée aux dimensions plus faibles représentées sur la figure 4 qui est à la meme échelle que la figure 3 ; le revetement portant en bronze. terminé, 75 sur la pièce terminée ne nécessite qu'une épaisseur de 0;635 rnn, par exemple. Le flan du sabot, figure 3; est de préférence en acier 4140 (ou un acier de trempe équivalent) qui procure de la résistance à la pénétration aux limites des grains des moulages en bronze fondu comparé, par exemple, aux aciers, au carbone et autres aciers alliés à faible teneur qui semblent permettre la pénétration aux limites des grains par le bronze Après que le bronze fondu a atteint la température du liquides. le chauffage est arrêté. Puisque la masse placier du flan est froide. la solidification du bronze intervient rapidement et se propage hors de l'acier en direction et vers la face libre du bronze. évitant de ce fait la porosité de retrait en concurremment produisant une croissance directionnelle en cristaux équiaxiaux en colonnes fins ou résistants principalement le long d'axes perpendiculaires au plan du substrat en acier comme représenté à la figure 5. Sans le refroidissement énergique le bronze présente une structure grossière de grain équiaxiale figure 6 de résistance mécanique considérablement plus faible Pour éliminer la porosité aux gaz et de plus améliorer la résistance du bronze ce dernier est de préférence refondu pour dégager tout gaz d'hydrogène rejeté pendant la solidification initiale.Après avoir été refroidi à la suite du second cycle de fusilQn, l'assemblage (sous forme de flan) peut de plus etre traité thermiquement pour lui procurer une dureté suffisante à la fois pour l'usinage et pour le type d'usure éprouvée par le corps de support en acier serti sur l'extrémité à forme sphérique du piston (figure 2). Le contenu en phosphore ne doit pas excéder 0,150/0. Si cette limite est dépassée, en eutectique phosphore-fer, fragile est trouvé à l'interface, mis en évidence par la couche intermédiaire, figure 7, située entre la couche de bronze et le substrat en acier, responsable d'une liaison totalement inacceptable entre le bronze et 1' acier En limitant le phosphore à une valeur moindre qu'environ O,I50/0, cet eutectique est pratiquement évité, (figure 8). zLes mêmes principes s'appliquent à la réalisation d'un revêtement de poussée en bronze sur l'extrémité à orifices du barillet à cylindres : l'alliage de bronze est identique et la technique de coulée accompagnée par un refroidissement énergique ou par trempe est identique, pour que l'eutectique soit évité et que le profil dendritique à colonnes désiré soit obtenu ; l'acier 4I40 peut etre utilisé pour la raison déjà mentionnée. On peut voir, d'après ce qui précède que plusieurs propriétés sont caractéristiques de la pièce portante composite en bronze-métal ferreux selon l'invention. La faible résistance de liaison, éprouvée én essayant de couler le revetement sur l'acier, est due à l'eutectique, et est écitée par la limite supérieure critique en phosphore, et une résistance supplémentaire à l'usure est procurée par une croissance cristalline principalement perpendiculaire à l'interface.Un revêtement portant, épais simplement de 0,635 mm est adéquat pour les parties de pompe, subissant des usures prolongées les plus sévères rencontrées à l'échelle industrielle, et de plus une épaisseur de bronze sain peut etre réalisée économiquement et simplement en "chassant" les impuretés à la surface du bronze liquide, en refondant pour éliminer la porosité due aux gaz (par exemple l'hydrogène) et en enlevant comme déchets (égalisation par expulsion) les excédents non désirés. Le corps de support en acier peut alors être traité thermiquement pour obtenir la dureté désirée aussi longtemps que l'intégrité du bronze n'est pas affectée défavorablement. Une préférence pour l'acier 4I40 a été mentionnée. Cet acier est un acier au chrome molybdène contenant 0,4 o/o, de Carbone. Un acier 4340 (chrome nickel molybdène) avec 0,4 O/O de Carbone peut aussi être utilisé comme métal ferreux non susceptible de pénétration par le bronze aux limites des grains et on croit que le fer doux peut etre également employé dans le méme but. Comme supposé ci-dessus le bronze de départ, avant le traitement, peut être un de ceux qui présentent des cristaux fins, équiaxiaux ou des grains obtenus par pratique d'affinage du grain Cette structure fine du grain est préservée pendant la solidification directionnelle conduite selon l'invention et se traduit par un revêtement portant en bronze uniformément plus résistant Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à 1'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVEND I CA T IONS 10) Organe de friction comportant un revêtement en bronze sur un support en métal ferreux, organe caractérisé en ce qu'il est constitué par une surface en métal ferreux sur laquelle un revetement portant en bronze, pouvant entrer en contact avec une surface de friction opposée, est coulé in-situ pour être lié par métallurgie à l'acier, le bronze ne contenant pas plus de 0,I5 O/O de phosphore environ, tandis qu'un eutectique phosphure fer est pratiquement absent dans la zone de liaison entre l'acier et le bronze. 20) Organe selon la revendication I, caractérisé en ce que la croissance des cristaux du bronze se propage dans une direction quittant la surface de métal ferreux selon des axes principalement perpendiculaires à cette surface. 30) Organe selon l'une ou l'autre des revendication I o 2, caractérisé en ce que le métal ferreux est de l'acier-résistant à la pénétration par le bronze aux limites des grains. 40) Appareil de transfert d'énergie à pression de fluide -comportant au moins un piston se déplaçant a l'intérieur d'un cylindre porté par un barillet tournant, le piston étant muni d'un sabot externe, le barillet et le sabot ayant chacun une partie d'extrémité présentée à une surface opposée stationnaire pendant la rotation du barillet, appareil caractérisé en ce qu'une partie d'extrémité du barillet et/ou du sabot est constituée en organe de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 50) Palier caractérisé en ce qu il comporte un organe de friction selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, 60) Procédé pour fabriquer un organe de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, procédé caractérisé en ce que : (A) on supporte la pièce en métal ferreux sur une surface refroidie pour que le bronze coulé sur elle se solidifie à partir de la surface du métal ferreux opposée au support; (B) on coule sur la pièce en métal ferreux un bronze qui ne contient pas plus d'environ O, 150/o de phosphore pour limiter de ce fait la formation d'un eutectique phosphure-fer dans la zone de liaison entre le métal ferreux et le bronze.