Brevet FR2469241A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne un procéda de réalisation de couches superficielles résistant à l'usure et/ ou à la corrosion sur des pièces de machines, principaiement en fonte, en acier ou en aluminium, par un traitement thermique produisant la fusion au moins partielle de la surface de la pièce La réalisation, par des procédés thermiques, de couches résistant à l'usure et à la corrosion sur les surfaces portantes de pièces de machines soumises à un frottement glissant s'effectue le plus souvent en pratique par projection de matière pulvérisée chauffée ou par fusion de matière d'apport . Ces procédés consistent élémentairement à faire fondre des poudres métalliques sous forme de mélanges ou d'alliages, ou mieux encore des poudres métallo-céramiques avec produits d'addition comme liants et à les projeter ou à les déposer sur les surfaces des pièces .Il est également possible de transformer les surfaces de pièces métalliques, telles qu'en fonte, en acier ou en aluminium, par un traitement thermique de façon à produire des couches résistant à l'usure par des modifications de structure provoquées par le refroidissement . Dans ce procédé, on peut en outre fondre avec ces couches des poudres métalliques favorisant ensuite, par alliage, la formation de liaisons intermétalliques, ou, par action catalytique sur la transformation des structures, la formation de couches superficielles résistant à l'u sure L'énergie utilisée en pratique pour les traitements thermiques est produite de préférence par combustion, telle que projection avec flamme ou soudure par com bustion oxy-acétylénique, par énergie électrique, telle que projection avec plasma ou dépôt de soudure avec plasma, ou par énergie rayonnante, de préférence au moyen de faisceaux d'électrons à haut potentiel d'énergie . Les couches superficielles ainsi produites sur des pièces de machines soumises principalement à un frottement glissant se sont imposées en pratique dans de nombreux cas d'application tels que pour les pièces d'usure des moteurs à combustion interne (segments de pistons, chemises de cylindres) . Toutefois, la réalisation de ces pièces de machines améliorées est comparativement conteuse et compliquée Elle exige de vastes installations devant comporter des dispositifs annexes de sécurité pour la protection des travailleurs contre les énergies libérées sous forme de rayonnements calorifiques, bruits pernicieux, ou rayonnements électromagnétiques dans des gammes dangereuses d'ondes courtes . En outre, les couches réalisées en premier ne sont pas planes et doivent être péniblement rectifiées à la cote pr cise par meulage ou rodage .Or, les couches résistant à l'usure sont dures par définition et leur rectification exige des outils spéciaux et des temps d'usinage prolongés La présente invention a donc pour objet de réaliser un nouveau procédé thermique de réalisation de couches résistant à l'usure et à 1 corrosion, principalement sur les surfaces portantes de pièces de machines en métal soumises à une usure par frottement, plus simple et plus économique à mettre en oeuvre .Ce procédé-devra entre aussi peu dangereux que possible et les couches devront pouvoir être obtenues aussi lisses et aussi conformes aux cotes que possible pour permettre d'éliminer, dans la mesure du possible, des traitements de finition coûteux et compliqués Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un procédé thermique de traitement de surface dans lequel l'énergie thermique nécessaire est produite par le frottement d'un outil se déplaçant par rapport à la surface de la pièce, pendant le traitement, avec une grande énergie cinétique et/ou une forte pression dtap- plication .Dans l'industrie, l'énergie produite par frottement est utilisée dans le procédé dit de soudure par frottement mais jusqu'ici ce procédé n'a servi qu'à joindre des pièces métalliques tandis que le procédé selon l'invention sert au traitement de surface de pièces de machines, de préférence pour la réalisation de revetements résistants à l'usure sur les surfaces portantes de pièces de machines soumises à un frottement glissant . On utilise de préférence à cette fin des substances connues dans la technique de projection métallique thermique ou de dépôt de matière d'apport avec soudure, de préférence à base de métaux, élémentairement, mélangés ou alliés, ou en union avec des composés intermétalliques, ou sous forme de composés métallo-céramiques additionnés de liants métalliques .Ces substances pourront titre déposées sous forme pulvérulente entre l'outil et la surface de la pièce pendant l'opération, ou être déposées auparavant à la surface de la pièce et éventuellement aussi sur l'outil, sous forme de couches non adhérentes, par déptt et séchage d'une pâte de composition adéquate Sous l'action de 11 énergie libérée par le frottement, le déplacement de l'outil à la surface de la pièce fait fondre en grande partie la substance déposée et, simultanément, la surface de- la pièce fond jusqu'à une profondeur déterminée selon l'intensité du frottement et forme avec la substance apportée une couche fortement incorporée résistant à l'usure .Selon le cas d'application prévu, il sera possible de faire varier la résistance à l'usure et à la corrosion de la couche par un choix judicieux de la poudre d'apport De préférence la pièce sera faite de métaux tels que la fonte, l'acier ou l'aluminium et l'outil sera fait d'une matière à très haut point de fusion tel qu'un métal dur fritté pour éviter que la surface de l'outil ne fonde pendant l'opération et ne s'amalgame à la couche apportée .Le procédé selon l'invention permet de recouvrir parfaitement de couches résistant à l'usure les surfaces de pièces de machines telles que segments de pistons, sièges de soupapes rapportés, ou chemises de cylindres pour lesquelles un appoint d'énergie de frottement est produit asses simplement par la rotation des pièces cylindriques ou des outils De préférence, le procédé selon l'invention se met en oeuvre sous une pression d'application élevée susceptible de croître pendant le déroulement de l'opération. À cette fin, les outils et éventuellement aussi les pièces sont conformés de façon qu'on puisse faire varier leur force d'application, pendant l'opération, par exemple au moyen d'une force élastique Le procédé selon l'invention a l'avantage de pouvoir etre mis en oeuvre au moyen d'installations simules dont les dimensions ne dépassent pas celles des machines normales à roder ou à rectifier . Le procédé n'engendre pas de bruits malsains ou de rayonnements dangereux et les installations peuvent être exploitées sans mesures spéciales de sécurité . Un avantage du procédé est que l'énergie thermique n'est produite que sur le métal à fondre et qu'il n'y a presque pas de pertes calorifiques, ce qui entraîne une économie d'énergie .La fusion et le dépit d'apport par soudure s'y effectuent sous pression et à l'abri d'agents environnants, de sorte que la solidité des couches se trouve nettement augmentée, du fait d'une compression plus forte et de l'absence d'inclusions de gaz étrangers par exemple, par comparaison avec les couches anti-usure d'apport connues jusqu'ici . En outre, la couche déposée par le procédé selon l'invention est lisse et polie et ne nécessite donc le plus souvent qu'une brève finition Selon le procédé de l'invention, les couches antiusure pourront éventuellement être également produites par des transformations thermiques de structure C'est ainsi que les surfaces portantes de pièces de machines en fonte pourront etre fondues jusqu'à leur point de transformation de façon qu'en se solidifiant la fonte, après refroidissement, y devienne ledeburitique donc plus résistante à l'usure .Dans un tel procédé, il pourra y avoir avantage à déposer sur les surfaces en question des substances s'incorporant à elles lors de la transformation, ou forment des composés intermétalliques résistant à l'usure, ou favorisent catalytiquement la naissance d'une structure résistant à l'usure Selon un exemple de mise en pratique de l'invention, des segments de pistons de moteurs à combustion interne sont pourvus, sur leurs surfaces portantes, d'un rev8tement résistant à l'usure en molybdène . 20 segments de piston d'un diamètre extérieur de 100 mm sont donc emmanchés sur une broche extensible de façon à pouvoir, pendant l'opération, s'appliquer à une partie cylindrique d'un outil du fait de leur tension propre et/ou être soumis à une pression radiale supplémentaire produite par la broche extensible réglable. Au préalable, le segment de piston-est enduit, sur sa périphérie externe, d'une pate de poudre de molybdène de façon à produire, après séchage, un revêtement peu adhérent d'environ 0,2 mm d'épaisseur . Après introduction dans la boute de l'outil, en métal dur fritté, a lieu la soudure par frottement, produite en imprimant au paquet de segments de pistons un double mouvement de translation et de rotation . Pendant l'exécution de ce mouvement, la pression radiale est augmentée jusqu'à ce que le paquet ait atteint une température suffisante pour que la matière constitutive des segments se soude avec la poudre de molybdène . Les segments de pistons ainsi réalisés possèdent un revê- tement très solide et très lisse, de dimensions plus précises que les revatements réalisés jusqu'ici par projection au pistolet . Le traitement de finition des segments se borne donc à un bref meulage et à la séparation des segments accompagnée de l'ébarbage usuel de leurs flancs Les surfaces planes, telles que les flancs de segments de pistons ou les plaquettes d'étanchéité, pourront de même être pourvues de ces couches REVENDICÂTIONS 1. Procédésse réalisation de couches superficielles résistant à l'usure et/ou à la corrosion sur des pièces de machines, principalement en fonte, en acier ou en aluminium, par un traitement thermique produisant la fusion au moins partielle de la sur face de la pièce, caractérisé en ce que l'énergie thermique nécessaire est produite par le frottement d'un outil se déplaçant par rapport à la surface de la pièce, pendant le traitement, avec une grande énergie cinétique et/ou une forte pression d'appli cation 2. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que des substances sont introduites entre la surface de l'outil et celle de la pièce 3.Procédé selon les Revendications 1 et 2 prises en semble, caractérisé en ce outil est fait usage de substances métalliques et/ou métallo-céramiques connues dans la technique des revêtements 4. Procédé selon les Revendications 1, 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que les substances mé- talliques et/ou métallo-céramiques sont amenées sous forme pulvérulente entre la surface de l'outil et celle de la pièce 5. Procédé selon les Revendications 1, 2 et 3 prises ensemble, carac térisé en ce que, préalablement au traitement par frottement, on forme une couche desdites substances métalliques et/ou métallo céramiques sur les surfaces de l'outil et de la ptèce. 6. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le frottement de l'outil sur la pièce produit une refonte de la surface de la pièce entrainant une modification de structure. 7. A titre de procédé industriel nouveau, application du procédé selon l'une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 à la réalisation de couches sur les surfaces exposées à l'usure des segments de pistons, plaquettes d'éhnchéité, chemises de cylindres, et sièges de soupapes rapportés de moteurs à combustion interne.