Brevet FR2498633A1 — publié le 19820730

L'invention concerne un matériau convenant au mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur à combustion interne et plus particulièrement, un matériau convenant à des pièces soumises à un con- tact de glissement très fréquent avec une came, à savoir pour des pièces telles que les culbuteurs et les poussoirs de soupape qui constituent le mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur à combustion interne. Les composants du mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur a combustion interne, parti- culièrement des pièces telles que les culbuteurs et poussoirs de soupape, qui sont soumises de façon répétée:Aun contact de glissement très fréquent avec une came, nécessitent pour leur fabrication un matériau ayant des propriétés spéciales. A propos de certaines des figures annexées, on décrira la structure générale du mécanisme d'ac- tionnement de soupape d'un moteur A-combustion interne. La figure 1 montre un exemple de mécanisme d'actionne- ment de soupape avec arbre a cames en tête. En réponse à la rotation d'une came 2, un culbuteur 1 subit un mouvement d'oscillation autour de son axe, de sorte qu'il ouvre et ferme alternativement une soupape 5. Dans un mécanisme d'actionnement de soupape de ce type, la résistance a l'abrasion de la face active du culbuteur, qui est amenée en contact de glissement fréquent avec la came 2, devient le point le plus important. On se référera maintenant à la figure 2 qui illustre un exemple de mécanisme d'actionnement de soupape du type a tige de poussoir. Un poussoir de soupape 3 et une tige de poussoir 4 sont interpo- sés entre la came 2 et le culbuteur 1, transmettant ainsi a la soupape 5 le mouvement de la came 2. Dans un mécanisme d'actionnement de soupape de ce type, le pôint le plus important est la résistance à l'abra- sion de la face active du poussoir de soupape 3, face qui est amenée fréquemment en contact de glissement avec la came 2. Dans chacun des types décrits ci-dessus, il est important bien entendu que la face active ait une bonne résistance à l'abrasion comme indiqué plus haut. En outre, il est important que la face active n'use pas la came 2 qui est l'organe complémentaire de cette face. Jusqu'ici, on fabrique généralement ces pièces en matériau à base de fer, par exemple en acier ou en fonte alliée. Afin d'augmenter leur résistance à l'abrasion, leurs faces actives coopérant avec la came 2 sont soumises, avant l'utilisation, à un trai- tement tel que la trempe superficielle par traitement thermique, le refroidissement brusque, le chromage en dur ou la projection à la flamme d'un alliage auto- gène. Toutefois, ces matériaux antérieurs comportent des inconvénients; par exemple,l'acier carburé a une durabilité médiocre,et un matériau chromé en dur risque de s'écailler par suite de zontacts ou abrasion loca- lisés. D'autre part, quand on projette à la flamme un alliage autogène, il se produit un autre inconvénient quant au prix de revient, à cause des étapes de fabri- cation plus nombreuses et de l'utilisation de matières premières coûteuses et aussi d'une incertitude quant à la qualité finale, due à l'inclusion de l'étape de projection à la flamme. En conséquence, on attend l'élaboration de matériaux supérieurs. Compte tenu des inconvénients susdits des matériaux antérieurs destinés au mécanisme d'action- nement de soupape d'un moteur à combustion interne, les inventeurs ont réalisé la présente invention pour résoudre efficacement ces problèmes. Un but de l'invention est de fournir un matériau destiné au mécanisme d'actionnement de sou- pape d'un moteur à combustion interne qui présente une grande résistance à l'abrasion lorsqu'il est sou- mis à un contact de glissement et qui, en même temps, soit capable de protéger efficacement le matériau complémentaire et convienne ainsi à un contact de glissement très fréquent avec une came ou un organe similaire. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'un matériau qui ait en lui- même un haut degré de résistance à l'abrasion mais qui, d'autre part, use extrimêment peu le matériau complémentaire avec lequel il est en contact de glis- sement et qui, ainsi, convienne au mécanisme d'ac- tionnement de soupape d'un moteur à combustion interne ou similaire qui subit un contact de glissement très fréquent. Un autre but de l'invention est de fournir des pièces destinées au mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur à combustion interne, faites d'un matériau ayant un haut degré de résistance à 1'abra- sion et une excellente qualité antifriction vis- à-vis de l'organe complémentaire et convenant donc à un contact de glissement très fréquent. En conséquence, l'invention fournit un maté- riau destiné au mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur à combustion interne, constitué par un alliage fritté à base de fer comprenant: chrome 2 à 7 % molybdène 0,1 à 1,5 % tungstène 0,5 à 7 % vanadium 0,1 à 3 % et carbone 0,5 à 3 %, le tout en poids. L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'alliages à base de fer, comprenant les étapes suivantes: mélanger des matières premières pulvérulentes pour obtenir la composition suivante, en poids: chrome 2 à 7 % molybdène 0,1 à 1,5 % tungstène 0,5 à 7 % vanadium 0,1 à 3 % carbone 0,5 à 3 % phosphore et/ou bore 0,1 à 2 % et fer et impuretés inévitables reste, comprimer les matières premières ainsi mélangées pour leur donner la configuration d'une pièce dési- rée, fritter les-matières premières ainsi façonnées dans des conditions prédéterminées et soumettre les matières premières ainsi frittées à un traitement thermique pour obtenir une structure d'alliage pré- déterminée à base de fer. L'invention propose aussi un culbuteur ou poussoir de soupape destiné à un mécanisme d'action- nement de soupape de moteur à combustion interne conçu pour entraîner le culbuteur directement ou par l'intermédiaire du poussoir de soupape et d'une tige de poussoir sous l'action d'une came, la partie de la face active du culbuteur ou poussoir conçue pour être amenée en contact de glissement avec la came étant formée d'un alliage fritté à base de fer ayant la composition suivante Cr 2 à 7 % Mo 0,1 à 1,5 % W. 0,5 à 7 % V 0,1 à 3 % C 0,5 à 3 % P et/ou B 0,1 à 2 % et Fe et impuretés inévitables reste, le tout en poids. D'autres buts et particularités de l'inven- tion apparaîtront dans la description ci-après portant sur des modes d'exécution préférentiels. Les figures 1 et 2, déjà décrites, sont des coupes montrant deux types différents de mécanismes d'actionnement de soupape de moteur à combustion interne; La figure 3 est une vue agrandie d'un cul- buteur; et La figure 4 est un diagramme comparé de l'état d'abrasion d'un matériau selon l'invention pour mécanisme d'actionnement de soupape de moteur à combustion interne et d'un matériau classique, lors d'un essai au banc. On décrira ci-après en détail un mode d'exé- cution de l'invention s'appliquant à un culbuteur. Comme le montre la figure 3, le corps principal la du culbuteur, à part sa face de coopération avec une came, est formé d'un acier faiblement allié. Un patin lb formé d'un alliage selon l'invention est lié à une partie correspondant à la face active. Le culbuteur ainsi fabriqué a été soumis à divers essais et mesures. Exemple On dose de la poudre de fer, de la poudre de graphite, de la poudre ferphosphore, de la poudre d'acier allié, etc., et on les mélange pour obtenir les compositions suivantes Echantillon 1 Cr: 4,3 W: 5,0 C: 1,7 Mo: 1,0 V: 0,3 P: 0,4 Fe: reste (le tout en % en poids). Echantillon 2 Cr: 5,4 W: 1,8 C: 2,0 Mo: 0,5 V: 0,2 P: 0,5 Fe: reste (le tout en % en poids). On comprime alors les compositions sous une pression de formage de 588 MPa pour leur donner la configuration d'un patin désiré et on les fritte et on les traite thermiquement dans les conditions ci-après pour préparer les échantillons 1 et 2. Echantillon 1 Echantillon 2 Atmosphère de frittage vide vide (1,33pbar) Température de frittage 1 200 C 1 200 C dans l'huile Conditions de refroidis- de trempe dans argon sement 1 200 C 900 C Température de revenu 550 C 200 C Les échantillons obtenus ont une structure contenant une matrice de martensite et un matériau durci distribué dans toute la matrice selon une con- figuration en réseau. Les masses volumiques des pièces frittées et leurs duretés sont les suivantes: Echantillon 1 Echantillon 2 Masse volumique, g/cm3 7,4 7,5 Dureté (HRC) 50 à 65 -55 à 70 Ensuite, on lie au culbuteur la chacun de ces patinlb et on assemble le tout dans un moteur de 1 800 cm3 à refroidissement par eau muni de quatre cylindres en ligne. On compare l'état d'abrasion du patin lb et de la came 2, par essai au banc, à l'état d'un patin et d'une came formes d'un matériau classique. Dans l'essai, on fait fonctionner continuellement le moteur a 2 000 tours/mn tout en maintenant son huile (SAE lOW-30) a 45 + 5 C.Au bout de 250 heures, on démonte le moteur et on mesure le degré d'abrasion de chaque matériau. La figure 4 représente les résultats de l'es- sai ci-dessus sous la forme d'un diagramme dans lequel, dans chaque histogramme, les parties en blanc et en pointillé ou en hachures représentent respectivement le degré d'abrasion de la partie supérieure de la came et celui de la face active du culbuteur. Les histo- grammes présentant des pointillés concernent des maté- riaux selon l'invention tandis que celui qui présente des hachures concerne le matériau classique. 1S La face active de chacun des culbuteurs et la matière ou le traitement de surface de sa came correspondante sont combinées comme suit: ECHANTILLON NO CAME FACE ACTIVE Exemple acier peu allié Chromage classique refroidi brusque- dur ment Echantillon n 1 de Echantillon nIl Echantillon ne 2 d Echantillon n 2 Comme on le voit par les dessins, lorsqu'on utilise le n0 1 comme patin, le degré d'abrasion totale de la came et de la face active est ramené à environ 36 % de celui du matériau classique. Lorsqu'on utilise l'échantillon n0 2, le degré d'abrasion totale de la came et de la face active est d'environ 43 % de celui du matériau classique, mais le degré d'abrasion du patin reste seulement d'environ 30 % de celui du maté- riau classique. Donc, la résistance a l'abrasion des matériaux selon l'invention représènte, globalement, deux à trois fois celle du matériau classique. Comme le démontrent les résultats d'essais ci-dessus, l'invention permet de réduire considéra- blement l'abrasion d'une came et de son organe complé- mentaire amené en contact de glissement avec la came ainsi que leur abrasion totale. En conséquence, l'in- vention est extrêmement utile pour prolonger la durée de service d'un mécanisme d'actionnement de soupape. Enfin, on décrira en détail ci-après la composition en poids d'un matériau selon l'invention. La résistance à l'abrasion d'un matériau selon l'in- vention est accrue, principalement, par le fait qu'une phase dure de carbures métalliques est dispersée dans toute sa matrice de martensite. En même temps, la résistance à l'abrasion améliorée d'une came est attri- buée à un choix approprié de sortes de carbures métal- liques, de leurs quantités et de leur association. Cr: tout en renforçant la matrice de marten- site, il réagit sur C en formant un carbure dur, amé- liorant ainsi la résistance à l'abrasion. Toutefois, si on l'utilisait en quantité inférieure à 2 %, on n'obtiendrait pas son effet spécifique. Par contre, une addition dépassant 7 % donne lieu à des incon- vénients tels qu'une fragilisation du matériau et une diminution de son usinabilité. Mo: similaire à Cr, tout en renforçant la matrice de martensite, il réagit sur C en formant un carbure dur, améliorant ainsi la résistance à l'abra- sion. Toutefois, une addition inférieure à 0,1 % ne donne pas l'effet particulier tandis qu'avec une addi- tion dépassant 1,5-%, le matériau complémentaire risque d'être endommagé. W: également similaire à Cr, il renforce la matrice de martensite et en même temps, réagit sur C pour former un carbure dur, améliorant ainsi la résistance à l'abrasion. Toutefois, lorsqu'on l'ajoute en quantité inférieure à 0,5 %, son effet spécifique n'est pas obtenu. Par contre, une addition dépassant 7 % entraîne une fragilisation du matériau. V: il réagit sur C en formant un carbure, contribuant ainsi à l'amélioration de la résistance à l'abrasion. Toutefois, une addition inférieure à 0,1 % ne produit pas l'effet spécifique tandis qu'une addition dépassant 3 % diminue l'usinabilité du maté- riau et le matériau complémentaire risque d'être endommagé. C:*tout en renforçant la matrice de mar- tensite, il réagit, comme indiqué plus haut, sur Cr et d'autres additifs, amenant le dép8t d'une phase durece qui améliore la résistance à l'abrasion. Tou- tefois, lorsqu'on l'ajoute en quantité inférieure à 0,5 %, son effet spécifique n'est pas obtenu. Par contre, à raison de plus de 3 %, la ténacité du maté- riau est amoindrie. P et B: tous deux sont des agents de frit- tage qui permettent au mélange de matières premières de subir un frittage avec phase liquide de manière à densifier fortement l'alliage-fritté à base de fer. Ils sont pratiquement identiques quant à leur effica- cité. Une addition inférieure à 0,1 % ne produit pas leur effet. Par contre, une addition dépassant 2 % n'est pas préférentielle étant donné que la phase liquide se forme en trop grande quantité et que sa stabilité dimensionnelle est considérablement dimi- nuée pendant le travail de frittage. REVENDICATIONS 1. Matériau destiné au mécanisme d'action- nement de soupape d'un moteur à combustion interne et caractérisé par le fait qu'il est constitué par un alliage fritté à base de fer comprenant, en poids: chrome 2 à 7 % molybdène 0,1 à 1,5 % tungstène 0,5 à 7 % vanadium 0,1 à 3 % et carbone 0,5 à 3 %. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alliage comprend en outre 0,1 à 2 % en poids, de phosphore. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage comprend en outre 0,1 à 2 % en poids de bore. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le reste de l'alliage se compose de fer et d'impuretés inévitables. 5. Procédé de fabrication d'alliages à base de fer, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes: mélanger des matières premières pulvérulentes pour obtenir la composition suivante, en poids: chrome 2 à 7 % molybdène 0,1 à 1,5 % tungstène 0,5 à 7 % vanadium 0,1 à 3 % carbone 0,5 à 3 % phosphore et/ou bore 0,1 à 2 % et fer et impuretés inévitables reste, comprimer les matières premières ainsi mélangées pour leur donner la configuration d'une pièce désirée, fritter les matières premières ainsi façonnées dans des conditions prédéterminées et soumettre les matières premières ainsi frittées à un traitement thermique pour obtenir une structure d'alliage prédéterminée à base de fer. 6. Procêdé selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que la pièce désirée constitue une face active d'un organe amené en contact de glis- sement avec une came du mécanisme d'actionnement de soupape d'un moteur à combustion interne. 7. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé par le fait qu'à l'étape de frittage, on place les matières premières façonnées sous un vide d'envi- ron 1,33 pbar. 8. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'étape de traitement thermique con- siste à tremper dans l'argon les matières premières frittées, puis à les soumettre à un revenu. 9. Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la structure d'alliage à base de fer comporte une matrice de martensite dans laquelle est distribué un matériau durci. 10. Procédé selon la revendication 6, carac- têrisé en ce que l'organe en contact de glissement est un culbuteur. 11. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que l'organe en contact de glissement est un poussoir de soupape. 12. Culbuteur ou poussoir de soupape destine à un mécanisme d'actionnement de soupape de moteur à combustion interne, ledit mécanisme étant conçu pour entraîner le culbuteur (1) directement ou par. lintermé- diaire du poussoir (3) de soupape (5) et d'une tige de poussoir (4) sous l'action d'une came (2), carac- térisé par le fait que la partie active du culbuteur (1) ou du poussoir (3) qui est en contact de glissement avec la came (2) est formée d'un alliage fritté à base de fer ayant la composition suivante Cr 2 à 7 % Mo 0,1 à 1,5 % W 0,5 à 7 % V 0,1 à 3 % C 0,5 à 3 % P et/ou B 0,1 à 2%, et Fe et impuretés inévitables reste, le tout en poids.