Brevet FR2518209A1 — publié le 19830617

* La présente invention concerne la nitruration- cémentation des bagues métalliques de section générale rectangulaire destinées à être utilisées comme segments de piston ou comme bagues d'étanchéité, par formation d'une pile de bagues, les bagues adjacentes étant en contact, puis par nitruration-cémentation des bagues empilées. On fabrique habituellement les segments de pis- ton et les bagues d'étanchéité en acier ou en fonte, et elles ont en général une section rectangulaire La bague est placée dans une gorge et dépasse de celle-ci, et elle a une surface externe radialement qui est en contact avec une surface coopérante par exemple d'un cylindre de fonte le long de laquelle elle glisse Deux surfaces disposées de façon générale en direction radiale (et appelées "côtés" dans la suite du présent mémoire) sont au contact des parois de la gorge pendant ce coulissement Etant donné celui- ci, la surface externe radialement et les côtés sont soumis à une usure On a proposé diversés techniques de réduction d'une certaine manière de cette usure afin d'accroître la durée de vie du segment et on a consacré en particulier. beaucoup d'attention à la réduction de l'usure des surfaces externes radialement et de la-chemise ou du cylindre coopé- rant Plus récemment cependant, les critères fixant la durée des moteurs ont nécessité non seulement une réduction de l'usure des surfaces externes radialement mais aussi une réduction de l'usure des côtés et des parois coopérantes de la gorge. Une technique de réduction de l'usure des sur- faces externes radialement des segments de piston est l'im- mersion des segments dans un bain de sels de nitruration- cémentation contenant des sels de sodium et de potassium, les segments étant-chauffés à une température de 400 a C par exemple Dans un tel procédé de nitruration-cémentation, de l'azote et du carbone diffusent simultanément par la surface en formant une couche superficielle durcie dans certains aciers et des fontes de tous types, par exemple les fontes grises, carburées, martensitiques, bainitiques et sphéroldales (fontes graphitiques nodulaires). Le brevet britannique n'I-576 143 décrit un procédé de nitrurationcémentation en bain de sels de la surface d'un segment de piston ou d'une bague d'étanchéité d'un métal fritté Les bagues sont immergées dans le bain de sels sous forme d'une pile, c'est-à-dire avec leurs côtés au contact et sous une pression exercée par une masse. Cette caractéristique est nécessaire car les bagues, si elles étaient distantes les unes des autres, se déformeraient et perdraient leur configuration et leur planêité, et aussi parce qu'un traitement individuel de chaque bague serait long et coûteux. -Cependant, dans ce procédé, seules les surfaces externes radialement des bagues subissent la nitruration- cémentation car les bagues sont empilées en étant serrées. En outre, l'utilisation d'un bain de sels est à la fois lente et peu commode. Une autre technique est le revêtement de chrome au cours duquel les bagues sont encore placées sous forme d'une pile fermée, les-surfaces des côtés disposés radia- lement étant en contact, les bagues étant alors revêtues de chrome d'une manière classique à leurs surfaces externes radialement Les bords des bagues, entre la surface externe radialement et les côtés, doivent être chanfreinés afin que le revêtement n'assure pas la liaison entre les bagues adjacentes La figure 1 des dessins annexés qui estune photomicrographie d'une partie d'une section d'un segment de piston, dans un coin entre une surface externe radia- lement du segment et un côté de celui-ci, représente cette caractéristique. Au cours de ce procédé, seules les surfaces externes radialement des bagues sont revêtues comme l'in- dique la figure 1 Les côtés peuvent être revêtus de chrome dans une opération ultérieure de revêtement, mais celle- ci est relativement coûteuse Les bords chanfreinés des bagues, lorsqu'ils sont utilisés, ont tendance à accroître le passage de l'huile au-delà des segments et ont ainsi tendance à augmenter la consommation d'huile ainsi qu'à réduire l'efficacité du joint formé entre la bague et le cylindre, si bien que la ventilation du carter est accrue. Ainsi, les chanfreins sont indésirables En outre, le re- vêtement de chrome se ramollit progressivement aux tempéra- tures dépassant 250 à 3000 C, et ce comportement constitue aussi un inconvénient En outre, les segments revêtus de chrome nécessitent des opérations de finition qui com- prennent un rodage, et le coût de leur fabrication est ainsi accru. L'invention, dans un premier mode de réalisation, concerne un procédé de nitruration-cémentation de bagues métalliques de section générale rectangulaire destinées à être utilisées sous forme de segments ou de bagues d'étan- chéité, le procédé étant du type qui comprend la formation d'un pile de bagues, les bagues adjacentes étant en contactet la nitrurationcémentation des bagues empilées Ce procédé se caractérise par la disposition de la pile de bagues dans une chambre dont l'air est chassé, puis la transmission dans la chambre d'un mélange gazeux d'un gaz de cémentation et d'un composé gazeux contenant de l'azote, dans un rapport compris entre 25/75 et 75/25 (en pourcentage volumique) à une tempé- rature comprise entre 450 et 6500 C, afin que la surface externe radialement et les côtés des bagues subissent une nitruration-cémentation. On a constaté selon l'invention que l'utilisation d'une nitrurationcémentation par un gaz permet au traitement de nitruration-cémentation d'être appliqué non seulement aux surfaces externes radialement des bagues empilées mais aussi aux côtés, malgré l'empilement des bagues Le procédé donne donc aux trois surfaces une finition durcie si bien que leur résistance globale à-l'usure est accrue. L'invention concerne aussi un segment de piston destiné à un moteur ou à un compresseur, ou une bague dtétan- chéité destinée à un amortisseur de chocs, le segment ou la bague étant fabriqué par mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 4: L'invention concerne aussi une bague métallique de section générale rectangulaire destinée à ère utilisée comme segment de piston ou comme bague d'étanchéité, carac- térisé en ce que la bague a une surface externe radialement et des côtés qui ont été durcis par nitruration-cémentation, la ba Que ayant subi un usinage de finition avant la nitrura- tion-cémentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessinsannexés sur lesquels la figure 1 ayant déjà été décrite la figure 2 est une photomicrographie d'une coupe d'une partie d'un segment de piston ayant subi une nitruration-cémentation au coin formé entre la surface externe radialement et le côté de la bague; et les figures 3 et 4 sont des graphiques représen- tant la variation de la dureté en fonction de la profondeur, dans le cas de deux bagues métalliques réalisées selon l'invention. Un segment est préparé et subit un usinage-de finition afin qu'il possède une section générale rectangu- laire, avec un espace découpé dans le segment afin qu'il possède deux extrémités libres Le segment a ainsi une surface externe radialement qui, lors du fonctionnement, est en contact coulissant avec un cylindre d'un moteur, et deux surfaces radiales ou "côtés" qui sont au contact des parois d'une gorge destinée à loger un segment dans un piston dans lequel il est monté Le segment peut être du type à rail utilisé comme racleur d'huile, ou un seg- ment supérieur (c'est-à-dire le plus proche de l'extrémité de travail du piston associé), et en particulier il peut constituer le segment supérieur de compression. La bague métallique peut être formée de toute matière ferreuse convenable qui peut subir une nitruration- cémentation satisfaisante et qui conserve sa dureté, et en conséquence son élasticité et sa résistance à la défor- mation, à la fois après traitement et lors d'une utilisa- tion dans un moteur Deux exemples de matières qui con- viennent sont l'acier et les fontes carburées de résis- tance élevée Par exemple, un acier qui convient contient 0,47 % de carbone, 0,25 % de silicium, 0,75 % de manganèse, 0,55 % de nickel, 1 % de chrome, 1 % de molybdène, 0,1 % de vanadium et le reste de fer (les pourcentages étant pondéraux) ayant subi une trempe et un revenu, et ayant une dureté Vickers de 450-500 HV. Plusieurs bagues ayant subi un usinage de fini- tion sont placées sur un dispositif de montage afin qu'elles soient empilées, leurs côtés étant en contact, les espaces entre leurs extrémités étant ouverts De cette manière, lors des opérations ultérieures, les bagues restent plates et ne sont pas déformées. La pile de bagues est alors placée dans une chambre dont i 'air est chassé Ensuite, un ca Telosé gazeux contenant de l'azote tel que l'ammoniac, et un gaz de cémentation, tel qu'un hydrocarbure exothermique gazeux, sont introduits dans la chambre à une température comprise entre 450 et 6500 C La proportion des deux gaz, contenant de l'azote et de cémentation respectivement, peut être comprise entre /75 (pour cent en volume) et 75/25 (pour cent en volume) bien que des essais effectués avec de l'ammoniac et un hydrocarbure exothermique gazeux montrent que des rapports de 50/50 (pour cent en volume) ou 60/40 (pour cent en volume) donnent d'excellents résultats. Les gaz atteignent les surfaces externes radia- lement des bagues empilées et pénètrent aussi entre les bagues pour atteindre les côtés de celles-ci Le carbone et l'azote des gaz diffusent à partir de ces surfaces dans la fonte des bagues en formant une couche blanche "" de 2 à 10 microns d'épaisseur, à partir de laquelle la diffu- sion dans la masse des bagues a lieu La profondeur totale de pénétration, pour un matériau particulier, dépend du temps pendant lequel les gaz sont transmis, et celui-ci peut être réglé de manière qu'il donne par exemple une couche blanche de 5 microns d'épaisseur et une pénétration totale de 0,1 à 0,3 millimètres On peut obtenir une dureté superficielle de 700-800 HV qui diminue progressivement jusqu'à la dureté du matériau de départ Cette dureté est conservée lors d'une exposition ultérieure des bagues à des températures pouvant atteindre 600 'C. La pile de bagues est alors retirée de la chambre et les chambres sont séparées de la pile Cette opération est réalisée sans difficulté et les bagues sont prêtes à être utilisées ensuite sans aucun autre traitement Les- segments ainsi fabriqués peuvent être des segments de com- pression ou des segments racleurs d'huile Le traitement est rapide et propre et il suffit d'un seul traitement pour la formation d'une bague qui est durcie sur trois surfaces. La figure 2 représente une partie d'une bague terminée On note que la surface ayant subi la nitruration- cémentation s'étend à la fois sur la surface externe radia- lement 10 et sur le côté 11 On note aussi que le coin entre les deux surfaces forme un angle -droit net. On considère maintenant des exemples à titre purement illustratif - EXEMPLE 1 On fait subir une nitruration-cémentation comme décrit-précédemment, à une température de 5500 C, à un seg- ment de piston formé d'acier carburé de résistance élevée. Dans un mode de réalisation, on expose le segment aux gaz de nitrurationcémentation pendant un temps qui donne une pénétration totale de 0,10 mm avec une couche superficielle blanche de composé "i" dont l'épaisseur est de 0,005 mm. La couche superficielle a une dureté de 700 à 800 HVM. La figure 3 représente un exemple de courbe dureté-pénétration d'un tel segment de piston. Des segments de piston ayant subi une nitruration- cémentation, préparés comme décrit précédemment, sont uti- lisés comme segments de compression supérieure dans un moteur de deux litres d'une voiture automobile Les seg- ments ne présentent pas de grippage et donnent des caracté- ristiques satisfaisantes Au contraire, on constate que des segments revêtus de chrome, préparés comme décrit pré- cédemment en référence à la figure 1, présentent un grip- page et sont inutilisables En conséquence, le moteur devait utiliser antérieurement des segments de molybdène durcis par pulvérisation à la flamme, dont la fabrication est difficile et qui sont coûteux. Des segments de piston ayant subi une nitruration- cémentation, prépares comme décrit précédemment en référence à l'exemple 1, sont aussi compares à des segments de piston revêtus de chrome préparés comme décrit en référence à la figure 1, par montage des segments ayant subi la nitru- ration-cémentation dans les gorges supérieures du piston dans les cylindres 1 et 3 d'un moteur à essence de 1,3 litre à quatre cylindres Des segments revêtus de chrome sont mon- tés dans les gorges supérieures des cylindres 2 et 4. Après 80 000 km, on obtient les résultats sui- vants: - Traitement Usure Usure des Usure ra Usure maximale Cylindre de surface des c 6 côtés de diale du de l 'alésage n tés du la gorge segment-4 seçmmnt 10-4 m 10-4 m " 1 m 1 N C 0,25 0,104 1,65 0,63 2 chrome 0,61 0,12 1,9 0,51 3 N C 0,18 0,11 2,03 0,51 4 chrome 0,76 0,12 1,9 0,63 N.C Segment ayant subi une nitrurationcémehtation à sa face externe radialement et sur les côtés, comme décrit précédemment à titre illustratif. Chrome Revêtu sur la face externe seulement, les faces des côtés n'étant pas traitées. Le segment de piston de l'exemple 1 a un module élastique et une dureté interne qui ne sont pas affectés par le traitement La résistance à la fatigue est accrue d'environ 10 % Bien que le segment de l'exemple 1 soit plus fragile qu'un segment non traité, lorsqu'il est soumis à une torsion ou un écartement excessif, il possède cepen- dant les résistances minimales nécessaires à la traction et à la flexion, fixées pour les segments non traités. EXEMPLE 2 On prépare un segment de piston d'acier, l-'acier ayant la composition pondérale suivante carbone 0,47 % silicium 0,25 % manganèse 0,75 % nickel 0,55 % chrome 1 % molybdène 1 % vanadium 0,1 % fer le reste Le segment de piston subit une trempe et un revenu et a ainsi une dureté comprise entre 450 et 500 HV, puis il subit une nitruration-cémentation comme décrit pré- cédemment Dans un mode de réalisation, le segment est exposé à des gaz de nitruration-cémentation pendant un temps qui donne une pénétration totale de 0,015 à 0,20 mm et qui forme une couche superficielle blanche d'un com- posé "e" dont l'épaisseur est de 0,005 à 0,008-mm La cou- che superficielle a une dureté d'environ 800 HVM. La figure 4 représente une courbe dureté-péné- tration correspondant 'à un tel segment. Les segments de piston ayant subi la nitruration- cémentation, préparés comme décrit précédemment, sont uti- lisés comme segments supérieurs de compression dans un moteur de deux litres d'une voiture automobile On constate que les segments ne présentent pas de grippage et donnent des caractéristiques satisfaisantes Au contraire, des segments revêtus de chrome, préparés comme décrit précédem- ment en référence à la figure 1, présentent un grippage et sont inutilisables En conséquence, le moteur devait comprendre auparavant des segments de molybdène durcis par pulvérisation à la flamme dont la fabrication est dif- ficile et qui sont coûteux. Des segments de piston ayant subi la nitrura- tion-cémentation, préparés comme décrit précédemment en référence à l'exemple 2, sont aussi comparés à des seg- ments revêtus de chrome, réalisés comme décrit précédem- ment en référence à la figure 1, par montage des segments ayant subi la nitruration-cémentation dans les gorges supé- rieures du piston dans les cylindres 1 et 3 d'un moteur à essence d'un litre à quatre cylindres Les segments re- vêtus de chrome sont montés dans les gorges supérieures des cylindres 2 et 4. Après 180 heures (équivalent à 24 000 km dans des conditions d'essai à grande vitesse), on obtient les résultats suivants. Cylindre Traitement Usure des Usure des Usure ra Usure maxi- n de surface côtés du côtés de diale du male de l'alé- segment la gorge segment sage -4 m 10-4 10-4 10-4 m m m 10 m 10 m 1 N C 0,013 0,10 0,025 0,08 2 chrome 0,051 0,10 0,51 0,15 3 N C 0,025 0,08 0,025 0,13 4 chrome 0,08 0,08 0,38 0,18 N.C segment ayant subi la nitrurationcémentation à sa surface externe et sur les faces des côtés comme décrit précédemment à titre illustratif. Chrome revêtu à la face externe seulement, les faces des côtés n'étant pas traitées. Le segment de l'exemple 2 conserve son élasti- cité et la pression qu'il exerce sur les parois aux tempé- ratures de fonctionnement de la gorge supérieure La réduc- tion d'espace entre ses extrémités lorsqu'il est entouré dans un manchon du diamètre de l'alésage, égal au diamètre du segment et lorsqu'il est chauffé pendant 6 heures à 350 C puis refroidi dans le manchon, est de 5, 5 % Cette valeur est à comparer à la valeur de 7 à 10 % des seg- ments de fonte grise nodulaire sphéroidale martensitique (n'ayant pas subi de nitruration-cémentation) et à la valeur de 15 % ou plus dans le cas des segments de fonte grise -phosphoreuse moyenne (n'ayant pas subi de nitruration- cémentation), coulés individuellement. Les exemples 1 et 2 qui précèdent montrent que l'usure de la face externe radialement des segments ayant subi la nitruration-cémentation est comparable à celle des segments revêtus de chrome, mais que l'usure des côtés est bien inférieure à l'usure des côtés des segments re- vêtus de chrome -Il faut noter que cette résistance à-l'usure est obtenue en une seule opération de traitement Cette réduction d'usure augmente les caractéristiques d'étan- chéité des segments et augmente aussi leur durée, car l'aut- mentation de la résistance à la fatigue, couplée à la ré- duction de l'usure des côtés, réduit les risques de rupture et réduit de même la vitesse d'augmentation de la ventila- , tion du carter. Les surfaces externes radialement des segments ayant subi la nitrurationcémentation ont une meilleure : résistance au grippage que les surfaces correspondantes des-segments revêtus de chrome Ce comportement est dû en partie à la meilleure résistance des surfaces ayant subi la nitruration-cémentation à des température dépas- sant 250 à 3000 C, et en partie au fait que l'huile-ne mouille pas facilement le chrome, alors que la surface ayant subi la nitrurationcémentation conserve les cavités formées par les paillettes de graphite dans la-fonte, ces cavités jouant le rôle de réservoirs d'huile. Il faut en outre noter que le procédé de nitru- ration-cémentation décrit précédemment en référence à la figure 2 peut être utilisé pour le durcissement des surfaces de toute forme de segment de piston tel que des segments racleurs d'huile ou des segments intermédiaires de compres- sion ou de tout type de bague d'étanchéité, telle que les bagues d'étanchéité des amortisseurs de chocs. Lorsque les segments sont formés d'acier, l'uti- lisation de la technique de nitruration-cémentation dé- crite précédemment à titre d'exemple permet la réduction de la largeur des segments à 1 mm ou moins, car la réduc- tion de l'usure des c 8 tés réduit les risque de rupture. Lorsque les segments sont du type à rail, la nitruration- cémentation des côtés du segment réduit l'usure entre le segment et le dispositif d'expansion utilisés dans de tels ensembles formant racleurs d'huile, et réduit la découpe formée dans les rails des pattes disposéessur le dispositif d'expansion. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS -1 Procédé de nitruration-cémentation de bagues métalliques de section générale rectangulaire destinées à être utilisées comme segments de piston ou bagues d'étan- chéité, le procédé étant du type qui comprend la formation d'un pile de bagues de manière que les bagues adjacentes soient en contact, puis la nitruration-cémentation des bagues empilées, et étant caractérisé en ce qu'il comprend la disposition de la pile de bagues dans une chambre dont l'air est chassé puis la transmission à la chambre d'un mélange gazeux d'un gaz de cémentation et d'un composé gazeux contenant de l'azote dans un rapport compris entre /75 et 75/25 (% en volume) à une température comprise entre 450 et 6500 C, afin que la surface externe radialement et les côtés des bagues subissent une nitruration-cémentation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé gazeux contenant de l'azote est l'am- moniac et le gaz de cémentation-est un hydrocarbure exother- mique gazeux. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les proportions des gaz sont de l'ordre de 50/50 ou 60/40 (% en volume). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les segments subissent une usinage de finition avant d'être empilés si bien que, après la nitrurationcémentation, ils sont prêts à être utilisés. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, du type dans lequel les bagues ont un es- pace entre leurs extrémités et* sont destinées à former des segments de piston, caractérisé en-ce que les segments sont empilés avec les espaces ouverts. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le temps pendant le- quel la nitruration-cémentation est effectuée est tel que la profondeur totale de nitruration-cémentation des surfaces des bagues est comprise entre 0,015 et 0,3 min. 7 Bague métallique destinée à former un segment de piston d'un moteur ou d'un compresseur ou une bague d'étanchéité d'un amortisseur de chocs, caractérisée en ce qu'elle est préparée par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8 Bague métallique de section générale rectangu- laire, destinée à être utilisée comme segment de piston ou bague d'étanchéité, caractérisée en ce que la bague a une surface externe radialement et des côtés qui sont durcis par nitruration-cémentation et la bague subit un usinage de finition avant la nitruration-cémentation. 9 Bague métallique selon la revendication 8, carac- térisée en ce que la profondeur de nitruration-cémentation est comprise entre 0,015 et 0,3 mm. 10 Bague métallique selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'elle est formée de fonte ou d'acier.