Brevet FR2469465A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un palier lisse ou d'un materiau pour palier ou coussinet ou portée, qui consiste à appliquer une couche de revêtement comprenant surtout de l'étain sur une couche sous-jacente d'un alliage d'aluminium. Tel qutil sert dans la présente description, le terme "surtout" signifie une teneur de 98 à 100 50. L'invention concerne également un matériau pour palier ou portée, comprenant un alliage d'aluminium revêtu d'une composition contenant surtout de l'étain. L'invention concerne également un palier lisse de forme cylindrique ou partiellement cylindrique comportant un fond en acier, une couche d'un alliage d'aluminium liée au fond et une composition de revêtement comportant surtout de l'étain. On sait réaliser un palier comprenant une mince couche de revêtement de placage en étain-cuivre, plomb-étain ou plomb-étain-cuivre,appliquée indirectement par un procédé de placage électrolytique à la surface d'un alliage d'aluminium lequel adhère à un fond en acier. Le rôle du revêtement ou de la couche de surface consiste à constituer une surface destinée à venir au contact d'un arbre en rotation et à montrer des propriétés extrêmement bonnes de rodage de palier, c'est-à-dire d'être en un matériau qui ne tendra pas à se rayer ou à gripper lors du rodage du palier. Il est souhaitable que la couche superficielle présente des propriétés semblables à celles possédées,par exemple, par des alliages de plomb qui se sont avérés être pour certaines applications un très bon matériau de revêtement. Les couches de revêtement ont en général une épaisseur de l'ordre de 0,015 mm à 0,075 mm et elles peuvent, dans certains cas d'assemblage médiocre, de moteur sale ou de mauvais alignement, être largement enlevées par usure au cours du rodage d'un moteur. L'érosion et la corrosion peuvent également entraîner une perte de la couche de revêtement. Dans certains cas rares, cependant, il a été trouvé que la couche superficielle reste sensiblement dans son état d'origine sur de longues périodes après achèvement du rodage. L'utilisation de l'expression "placage de revêtement" est destinée à exclure ce que l'on appelle des revê tements par immersion ou des traitements de revêtement "rapides" donnant une couche mince, mais à inclure des cou ches d'épaisseur importante appliquées par voie électrolytique. La dureté croissante des conditions de fonctionnement auxquelles. les paliers lisses sont maintenant soumis provoque quelques pannes précoces et résulte d'innovations de conception destinées à améliorer le comportement et à augmenter le rendement des moteurs à combustion interne. En outre, il existe des problèmes de corrosion dus au fonctionnement des moteurs avec des combustibles résiduels, par exemple des problèmes de dégâts dus à une érosion par cavitation ainsi que des problèmes dus à la formation de micro-boursouflures du placage,lorsqu'on utilise pour celui-ci, par exem ple, un alliage de plomb à 10 d'étain. Une érosion par cavitation est un mécanisme d'endommagement par lequel des surfaces d'une matière solide au contact d'un liquide (qui, dans le cas des paliers,est une huile lubrifiante) subissent une déformation et une perte de matière par suite de la formation et de l'affaissement de cavités de vapeur dans le liquide. Dans les paliers des moteurs, les conditions donnant naissance à une cavitation se produisent par suite d'un mouvement rapide entre tourillon et palier sous l'influence de l'inertie et des charges de combustion.Des dégâts ne se produiront que si des cavités se forment et s'affaissent en des concentrations suffisamment enlevées. Des tendances de conception, visant à obtenir de plus grandes vitesses de rotation et, dans certains cas, des taux plus élevés de variation de l'élévation de pression dans les cylindres,fournissent de façon croissante des conditions dans lesquelles ce mécanisme d'endomnagement peut jouer. Des paliers lisses comportant ces revêtements sont utilisés par exemple pour relier des tiges, pour constituer des paliers principaux dé moteur à combustion interne, notamment des moteurs Diesel, et pour former d'autres composants comme des rondelles de butée, des coussinets et des paliers comportant un manchon simple ou un manchon bridé. Dans le passé, on a surtout utilisé des alliages de plomb pour constituer des couches de revêtement. Cellesci ont été plaquées par voie électrolytique sur de l'alurmi- nium,mais l'on a trouvé que l'application d'un placage électrolytique de nickel ou de cuivre sur un substrat en aluminium préparé stest toujours avéré nécessaire pour obtenir une adhérence appropriée du placage. Il semble bien que l'on ne connaît pas de paliers à alliage d'aluminium dans lesquels des couches de revêtement en étain ou en alliaged'étain sont appliquées quasi directement à la surface de l'alliage d'aluminium et qu'en fait une inter-couche de nickel a toujours été utilisée à cette fin dans le passé.Or le nickel constitue un mauvais matériau de palier et il arrive parfois, lorsaue le revêtement est enlevé par usure, que le nickel est mis à nu et vient au contact de l'arbre en acier, ce qui provoque une usure de l'arbre et un grippage éventuel. En outre, si des alliages de plomb contenant ode l'étain se sont avérés satisfaisants comme matériaux de revêtement, ils ont également requis dans le passé l'existence d'une couche intermédiaire de nickel de placage. Ce nickel peut absorber plus de 50 % de son propre poids d'étain par diffusion en provenance du revêtement, ce qui produit des compositions ou des composés de nickel-étain et, ainsi, les avantages considérables d'une meilleure résistance à la corrosion,que la présence de l'étain dans l'alliage de plomb de revêtement confère, sont diminués par la production de ces composés. Le composé de nickel-étain présente les mêmes mauvaises propriétés, pour constituer un palier, que du nickel pur alors que des revêtements formés surtout par l'étain non dénudé par le nickel sont, pense-t-on, plus résistants aussi bien à la corrosion qu'à l'erosion par cavitation. L'invel1tiosl vise à proposer un matériau pour revêtement et un procédé pour l'appliquer de façon que ce revê tement résiste à l'érosion et à la corrosion et dure aussi longtemps que possible. L'invention vise également à diminuer le nombre des défaillances prématurées dues à une érosion par cavita tion et à la formation de micro-boursouflures,de façon à prolonger la vie ou la durée de service du revêtement et du palier. Selon un aspect de l'invention, un procédé pour réaliser un matériau pour palier lisse ou pour palier Be caractérise par l'application directe du revêtement sur la couche sous-jacente,sans placage préalable de nickel sur l'alliage d'aluminium. De préférence, le procédé comprend principalement les étapes consistant à soumettre la couche sousjacente à un nettoyage chimique dans une solution alcaline durant 5 minutes au maximum; à plonger cette couche dans une solution d'acide, de préférence l'acide sulfurique, comportant un constituant oxydant comme par exemple du peroxyde d'hydrogène ou eau oxygénée, du perborate de sodium ou de l'acide chromique; à placer la couche sous-jacente dans une solution de zingage et à déposer par voie électrolytique de l'étain directement d'une solution acide d'étain stanneux de préférence une solution à base de sulfate ou de pyrophosphate stanneux, sur l'alliage d'aluminium ainsi traité. De préférence, la teneur en étain du revêtement se situe entre 98 % et 100 Só. Le peroxyde d'hydrogène est préféré comme constituant oxydant de l'acide sulfurique et il sert à enlever toutes les "saletés" risquant de demeurer après le nettoyage chimique. L'étain peut être déposé seulement à partir d'une solution à base de sulfate ou de pyrophosphate mais, dans un procédé préféré donnant Ull dépôt plus rapide, une mince couche initiale peut être déposée à partir d'un bain de sulfate stanneux, puis on effectue un dépôt saune plus grande densité de courant à partir d'une solution de fluoroborate st anneux. Le palier ou le matériau de palier peut être placé dans la solution de zingage durant quatre minutes au maximum et le traitement par l'acide sulfurique et le peroxyde d'hydrogène sera suivi de la mise en oeuvre de jets d'eau pulvérisée pour enlever l'acide sulfurique avant le zingage et par la mise en oeuvre d'autres projections d'eau pulvérisée avant l'étamage. Le peroxyde d'hydrogène joint son activité à celle de l'acide sulfurique et enlève des produits inoppor tunes associés au nettoyage alcalin antérieur. Le nettoyage alcalin et le nettoyage acide constituent des tapes du placage dont l'importance est extrêmement grande si l'on veut éviter la formation de boursouflures. On pense que le dispositif destiné à maintenir les paliers dans la solution de plaçage d'étain est de prééren- ce du "genre ouvert",de façon à ne pas restreindre l'écoulement des ions et à diminuer tous les effets de polarisation ou de dégagement de gaz qui pourraient, sinon, prédominer. Le procédé ne se limite pas à l'utilisation de tels dispositifs "ouverts" et d'autres techniques, comme une agitation des solutions ou le pompage des solutions sur les paliers,risquent d'être avantageuses,au lieu d'une simple immersion des paliers dans les cuves. Dans le cas de petits paliers, on préfère des dispositifs ouverts de maintien. Cependant, lorsque de plus gros paliers sont à traiter, des dispositifs de maintien plus "fermés" peuvent être utilisés,puisque la dimension de l'appareil laisse suffisamment d'espace autour du palier pour permettre un libre écoulement du fluide. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci propose Ull palier lisse de forme cylindrique ou partiellement cylindrique comportant un fond en acier, une couche d'alliage d'aluminium, de préférence de l'aluminium-étain pouvant comporter des additions et des impuretés inévitables, ou un alliage d'aluminium-silicium, lié au fond, et une composition de revêtement comprenant surtout de l'étain et qui est liée directement à l'alliage d'aluminium sans une couche intermédiaire formée par Ull placage de nickel. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci propose Ull matériau pour palier comprenant un alliage d'a uminium revêtu d'une composition comportant surtout de l'étain, le revêtement étant lié directement à l'alliage d'aluminium sans couche intermédiaire constituée par un placage de nickel. L'invention peut être mise en oeuvre de diverses façons, dot deux seront décrites plus en détail dans les exemples non limitatifs ci-après. Exemple 1 Voici un exemple de mise en oeuvre du procédé de base pour effectuer le revêtement Nettoyage alcalin -jusqu'à 3 minutes à une tempé rature comprise entre 45 C et 700C. Rinçage (eau) Acide H2S0i/H202 - Agitation des paliers ou de la solution rinçage (eau) - entre 10 secondes et 4 minutes Zingage - 15 secondes à 4 minutes selon l'alliage Zingage (eau) Placage à partir de sulfate stanneux : voir la composition A ci-dessous. Double rinçage (eau) Placage à partir de fluoroborate stanneux : Voir la compo sition B ci-dessous Rinçage (eau) Séchage. Composition A Solution de sulfate stanneux contenant par litre Sulfate stanneux - 60 g Acide phénolsulphonique (Densité 1-4) - 100 ml/l Acide sulfurique - 60 g Gélatine -4g On ramollit la gélatine par son maintien dans de l'eau froide durant 16 heures environ, puis on la dissout dans un peu d'eau tiède avait de l'incorporer à la solution. Traitement dans la solution A Densité de courant : - 0,54 à 2,70 A/dm2 Température - 20/250C Agitation : - mouvement manuel du dispo sitif de maintien Dispositif de maintien - demi-éléments ouverts avec plaque anodique (non pas une forme cylindrique des. demi -coussinets avec Enode centrale, mais une matière semi-cylindrX que ) pour des paliers plus volumineux, on utilise un dispositif fermé de maintien. Vitesse approximative de dépôt : 1 micromètre par minute. Composition B Solution de fluoroborate stanneux contenant Concentré de fluoroborate stanneux : 230 ml/l Concentré d'acide fluoroborique : 142 ml/l Composition d'étain stanneux pour bai) (75 g/l) ) - 50 mlfl Acide fluoroborique libre (140 g/l) g/l) Traitement dans la solution B Agitation mouvement manuel du dispositif de maintien Température : - 20/25 C Dispositif de maintien: Anode centrale normale (étain) (forme cylindrique des demi- coussinet s ou des deux moitiés mises ensemble pour Former un cylindre). Densité de courant : - 5/38 A/dm2 Vitesse approximative de dépôt : 2,7 micromètres par minute. Les solutions de placage que l'on utilise peuvent être du sulfate stanneux seul, du pyrophosphate stanneux seul, du sulfate stanneux suivi de fluoroborate ou du pyrophosphate stanneux suivi de fluoroborate. Exemple 2 A la place de la composition A de l'exemple 1, on utilise la composition C ci-après. Le procédé est par ailleurs semblable à celui de l'exemple 1. La composition C représente une solution de pyrophosphate convenable. Composition C C'est une solution de pyrophosphate contenant Chlorure stanneux - 78 gS 1 Pyrophosphate de potassium - 350 S/1 Colle - 5 g/l pH - 8,7 - 9,0 Traitement dans la solution C Densité de courant : 1,08 à 3,24 A/dm à 60-700C. Agitation : }mouvement manuel du dispo sitif de maintien Dispositif de maintien : (demi) dispositif ouvert. Pour des paliers plus volu mineux,on utilise un dispo sitif fermé. il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé de réalisation d'un palier lisse, au matériau pour palier et au palier lisse décrits ci-dessus R E V E N D I C i T I O N S 1. Procédé pour réaliser un palier lisse ou un matériau pour palier, selon lequel on applique une composition de revêtement, comportant surtout de l'étain, sur une couche sous-jacente d'un alliage d'aluminium, ce procédé étant caractérisé en ce que le revêtement est appliqué à la souscouche directement sans placage préalable de nickel sur l'al- liage d'aluminium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à nettoyer chimiquement la sous-couche dans une solution alcaline, à plonger cette sous-couche dans une solution acide comportant un constituant oxydant, à placer la sous-couche dans usle solution de zingage et à déposer électrolytiquement de l'étain à partir d'une solution acide d'étain stanneux. 3. Procédé selon la reverdication 2, caractérisé en ce que l'acide de la solution est de l'acide sulfurique et le constituant oxydant est du peroxyde d'hydrogène. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé est ce que la solution acide d'étain stanneux contient du sulfate stanneux. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'une mince couche iizitiale d'étain est déposée à partir d'une solution de sulfate stanneux et une couche supplémerftaire d'étain est déposée à partir d'une solution de fluoroborate stanneux. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la solution acide d'étain stanneux est une solution de pyrophosphate stanneux. 7. Matériau pour palier, comprenant un alliage d'aluminium présentant 'nie compositioei de revêtement comportant surtout de l'étain, ce matériau étant caractérisé en ce que le revêtement est lié directement à l'alliage d'aluminium sans couche intermédiaire de nickel de placage. 8. Palier lisse de forme cylindrique ou partiellement cylindrique comportant un fond d'acier auquel est liée une couche d'un alliage d'aluminium surmontée d'une composition de revêtement comprenant surtout de l'étain, le palier étant caractérisé en ce que le revêtement est lié ou fixé directement à l'alliage d'aluminium sans couche intermédiaire de nickel de placage. 9. Matériau pour palier selon la revendication 7 ou palier lisse selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage d'aluminium et d'étain. 10. Matériau pour palier selon la revendication 7 ou palier lisse selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage d'alumillium et de silicium.