Brevet FR2594852A1 — publié le 19870828

PIECES EN ALUMINIUM ET SES ALLIAGES DONT UNE FACE AU MOINS PRESENTE AU MOINS UNE REGION DE ZONES RESISTANT A L'USURE La présente invention est relative à des pièces en aluminium et ses al- liages dont une face au moins présente au moins une région de zones ré- sistant à l'usure. EXPOSE DU PROBLEME L'homme de l'art sait que les pièces en aluminium et ses alliages soumises à des frottements doivent posséder des caractéristiques technologiques telle que, notamment, la résistance à l'usure et la tenue au grippage au moins sur leur face "active", c'est-à-dire celle qui se trouve au contact de la pièce antagoniste. Le plus souvent, ces caractéristiques ne sont nécessaires qu'en des régions représentant une portion seulement de ladite face, et en des zones bien localisées desdites régions. Ces zones résultent généralement d'un traitement de durcissement super- ficiel des pièces obtenues par différents moyens. ART ANTERIEUR C'est ainsi par exemple, que le brevet français 2 371 520 décrit un pro- cedé de traitement d'une région exposée déterminée d'un article en alumi- nium ou en un de ses alliages en présence ou non d'un agent d'alliage, avec un faisceau laser ou un faisceau d'électrons de forte énergie (au moins 10.000 watts/cm2) et de diamètre compris entre 250 et 1250 èim, de manière à pouvoir chauffer l'article dans une première zone et à le fon- dre dans une deuxième zone à l'intérieur de ladite premiere zone: on crée ainsi une structure-à grains fins au moins dans ladite zone, dans le but, entre autres, d'améliorer la résistance à l'usure et d'éliminer ou de réduire les déformations résultant du traitement. La revendication 24 de ce brevet énonce que "ledit faisceau est déplacé le long de plusieurs trajets séparés et espacés de manière à affecter des zones formant des régions espacées sur la surface exposée dudit article". De même, le brevet français 2 367 117 revendique "un procédé de traitement d'une surface métallique de portée d'un composant caractérisé en ce qu'il consiste à ne traiter thermiquement que des zones de portée pour modifier leurs propriétés métallurgiques et améliorer leur résistance à l'usure". Selon un exemple particulier de ce procédé, le traitement est appliqué à une chemise de cylindre en fonte durcie par cémentation et consiste à diriger sur cette dernière un laser émettant un faisceau tel qu'il forme un point d'un diamètre de 3000 pm. La demande de brevet japonaise publiée sous le n 59 212 572 enseigne également un procédé de traitement de durcissement de la surface inté- rieure d'un cylindre de moteur à combustion interne au moyen d'un laser dans lequel le rapport surfacique des zones non traitées aux zones trai- tées est de préférence compris entre 10 et 70 % et la dimension des zones traitées est de plusieurs mm. Ces documents enseignent donc que des zones aptes au frottement peuvent être obtenues sur des pièces en traitant thermiquement leur surface de manière à obtenir localement des zones d'une largeur dépassant 250 Fm. La demanderesse cherchant à appliquer de tels enseignements, a constaté en effet qu'on pouvait, certes, obtenir un durcissement localisé aux zones de traitement, mais que dans le cas de l'aluminium et de ses allia- ges, ce durcissement s'accompagnait en cas de fusion localisée, d'une part, d'une déformation de la pièce telle qu'elle nécessitait un réusina- ge avant utilisation, d'autre part, parfois de fissurations et d'amorces de criques de fatigue dues aux contraintes superficielles développées par les surchauffes locales résultant du traitement. BUT DE L'INVENTION C'est pourquoi, la demanderesse a cherché à mettre au point des pièces en aluminium et ses alliages dont au moins une face est traitée par effet thermique de fusion de manière à développer au moins une région de zones résistant à l'usure et aptes au frottement mais telles qu'elles recèlent très peu de contraintes superficielles susceptibles de développer des fissurations ou autre dégradation lors de leur utilisation et telles éga- lement qu'elles puissent être utilisées brutes de traitement, c'est-à- 3 2594852 dire sans réusinage, opération onéreuse et délicate sur des parties dur- cies et qui, par ses effets thermique et mécanique, peut modifier la structure de la zone traitée et, par suite, ses caractéristiques tribo- logiques. EXPOSE DE L'INVENTION Selon l'invention, les pièces en aluminium et ses alliages dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure cons- tituée par une répartition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée sont caractérisées en ce que lesdites zones, quelles que soient leur longueur et leur forme, ont une largeur et une profondeur comprises entre 3 et 150 pm et que la fraction surfacique des zones pour chaque mm2 d'une région est comprise entre 5 et 60%. Ainsi, les faces actives des pièces inventées présentent-elles à leur surface, et en des régions choisies convenablement en fonction de l'usa- ge qu'on veut en faire, des zones durcies répondant aux deux caracté- ristiques suivantes: - d'une part, une forme plus ou moins allongée, mais une largeur et une profondeur très faibles comparées aux pièces de l'art antérieur; - d'autre part, une répartition fine desdites zones, puisque pour chaque mm de surface appartenant à une région, elles représentent 5 à 60 % de ladite surface, c'est-à-sire qu'elles sont espacées les unes des autres par une distance inférieure à I mm. Outre ces caractéristiques, on a constaté qu'il était intéressant lors- que les zones s'entrecroisaient de limiter la fraction de surface de re- 2,d couvrement desdites zones pour chaque mm d'une région à 50 % de la sur- face totale des zones. Dans ces conditions, on observe que outre l'augmentation importante de la résistance à l'usure provoquée par la présence de zones durcies, les contraintes de déformation provoquées par la fusion-resolidification au niveau des zones étaient beaucoup plus faibles que celles observées sur des zones de largeur et de profondeur plus importantes ou recouvrant plus largement la surface ou encore s'entrecroisant de façon plus fré- 4 2594852 quente. De même, on note que les différences de cotes entre les zones et les es- paces interzones ne dépassent pas IO jum, ce qui évite donc tout réusina- ge des pièces avant utilisation. Autrement dit, le traitement modifie peu le profil géométrique de la pièce traitée et ne fait intervenir qu'une légère modification de la rugosité. Par ailleurs, la présence d'espaces entre les zones améliore notablement l'aptitude des pièces au frottement en créant en surface et sur une fine échelle une alternance de zones durcies et d'espaces mous, disposition très efficace généralement en résistance à l'usure par adhésion, fatigue ou abrasion et efficace également en frottement puisque les espaces in- terzones mous constituent des pièges à lubrifiant, voire des pièges aux débris d'usure. Toutefois, dans la fourchette de largeur et de profondeur des zones re- vendiquées, on a remarqué qu'il était préférable de s'en tenir aux va- leurs comprises entre 10 et 100 pm pour obtenir les meilleurs résultats. L'invention en elle-même n'impose: - ni régularité de forme des zones: dans le cas d'une zone de forme quelconque, la notion de largeur citée plus haut peut être définie comme étant deux fois la dimension 1/2 qui conduit dans les techniques dites de squelletisation utilisées en analyse d'image à une dispari- tion de la zone, - ni une disposition régulière des zones en surface. L'invention fait en effet intervenir dans son principe l'idée statisti- que de réduire la largeur et la profondeur des zones et de les séparer, la distribution à l'échelle du mm et la forme des zones ayant un effet de second ordre par rapport à l'effet largeur-profondeur et fraction surfacique. Toutefois, pour des raisons de commodité de création de ces zones à la surface des pièces, l'invention englobe également les zones disposées régulièrement à la surface des pièces sous forme des réseaux périodiques ou quasi périodiques de bandes dont la largeur et la profondeur sont évidemment comprises entre 3 et 150 em. C'est ainsi que les zones peuvent être disposées sous forme de bandes continues séparées les unes des autres par une distance comprise entre et 1000 Fm, ces bandes ayant soit une direction quelconque, soit fi- gurant au moins un réseau de bandes parallèles. Mais ces zones peuvent être également disposées sous forme de bandes discontinues séparées sui- vant leur longueur et les unes des autres par une distance comprise entre et 1000 pm; ces bandes ayant comme précédemment soit une direction quelconque, soit figurant au moins un réseau de bandes-parallèles. L'invention s'applique en particulier à tout alliage d'aluminium, dont les propriétés tribologiques sont susceptibles d'être améliorées par un traitement de fusion superficielle. Elle s'applique également à toutes les pièces o les zones sont constituées par un alliage d'aluminium fon- du avec un élément d'apport ou un composé d'apport tel que ledit alliage ait de meilleures propriétés tribologiques que l'alliage de base. Cet élément peut être par exemple du fer ou du nickel. Les zones répondant aux caractéristiques de l'invention peuvent être obte- nues par tout procédé permettant de modifier localement par fusion-resoli- dification la nature ou la structure de la surface de la pièce sur une faible profondeur et sur une faible largeur de manière à lui conférer par effet thermique et/ou chimique une meilleure aptitude au frottement. On peut citer notamment l'utilisation de rayonnements de haute énergie tels que les faisceaux d'électrons et les rayonnements laser convenable- ment focalisés de manière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 pm. L'obtention de bandes axiales, circulaires ou hélicoïdales ou tout autre forme peut être facilement réalisée en commandant le déplacement relatif de la pièce et du faisceau par l'intermédiaire d'un microprocesseur. Par exemple, avec un faisceau laser argon classique d'une puissance de 6 2594852 18 watts suffisamment focalisé pour atteindre une densité de puissance supérieure à 1.l106 watts/cm2, on a pu réaliser à la surface de pièces en alliage d'aluminium-silicium un réseau à mailles carrées formé de bandes de largeur 30 pm séparées les unes des autres par une distance de 100 pm et ceci en exposant les pièces à l'action du faisceau pendant moins de 1. 10- seconde et en déplaçant le faisceau par rapport à la pièce de manière à lui faire décrire une série de trajectoires parallèles dans deux directions perpendiculaires. Mais on peut également utiliser des sources d'énergie capables d'émettre un grand.nombre de faisceaux ce qui permet une réalisation plus pratique du réseau. On a ainsi créé à fine échelle un ensemble de zones traitées de faibles dimensions (largeur surface constituée d'un matériau dur enchâssé dans une matrice plus mol- le. Les pièces ainsi traitées ne présentaient qu'une déformation mineure du profil de surface, ceci évitant un réusinage; leur application à une chemise de moteur en alliage d'aluminium n'a entraîné aucune dégradation par libération de contraintes et leur comportement tribologique au con- tact du piston/segment a été meilleur que celle des chemises dont toute la surface avait été traitée avec des faisceaux créant des zones de lar- geur 3000 pm. L'invention peut être illustrée à l'aide des dessins ci-joints qui re- présentent en ce qui concerne les figures 1, 2 et 3, différentes dispo- sitions de zones réalisées suivant l'invention sur une région d'une face active d'une pièce tandis que la figure 4 se rapporte à une microphoto- graphie d'une portion de région d'une pièce suivant l'invention et les figures 5, 6 et 7 à des coupes micrographiques de pièces suivant l'art antérieur (fig. 5 et 7) et suivant l'invention (fig. 6). Plus précisément: la figure I représente des zones (1) de forme et de largeur quelconques réparties de façon quelconque mais qui ont toutes une largeur comprise entre 10 et 100 Fm et une fraction surfacique pour chaque mm de sur- face comprise entre 5 et 60 %. À La figure 2 représente des zones disposées régulièrement suivant un réseau à mailles carrées constitué de bandes (2) d'une largeur de 40 Mm espacées les unes des autres de 360 pm. La figure 3 représente des zones ponctuelles (3) d'une dimension de pm espacées les unes des autres de 100 pm. La figure 4 est une microphotographie au grossissement 100 de zones réparties suivant des bandes de 40 pm de large espacées les unes des autres de 200 pim et s'entrecroisant à angle droit et qui sont obtenues sur des pièces en alliage d'aluminium du type A-S17U4G (silicium 17% - cuivre 4% - magnésium Les figures 5, 6 et 7 seront commentées dans l'exposé de l'exemple qui suit. EXEMPLE D'APPLICATION Des pièces en A-S5U3 (c'est-à-dire contenant en poids 5 % de silicium, 3 % de cuivre et le solde en aluminium et impuretés) et en A-S17U4G (17% Si, 4% Cu, lots numérotés 1 et 2 comprenant l'un et l'autre les deux types d'alliage. Le lot 1 a été soumis à un traitement laser pour obtenir des zones sui- vant l'art antérieur et le lot 2 à un autre traitement laser pour obtenir des zones suivant l'invention. Les conditions de ces traitements sont les suivantes: Faisceau laser Puissance (watts) Largeur du faisceau (m) 2 30.Densité de puissance (watts/cm) Durée de traitement (sec) Largeur de la zone traitée (pm) Profondeur de la zone traitée (dm) Lot 1 CO2 2,5x106 6/100 =2600 Lot 2 Ar 7x10o6 1/40 Les constatations suivantes ont été faites: 8 2594852 Du point de vue relief: sur le lot I (fig. 5) qui représente, vue en coupe et au grossissement une zone (4), on observe un relief macroscopique s'étandant sur tou- te la largeur de la zone et dont l'amplitude atteint 100 pm, ce qui oblige à réusiner la pièce. au contraire, sur le lot 2 (fig. 6) qui représente, vue en coupe, et au grossissement 1000 une zone (5), on n'observe aucun relief macros- copique. Seule la microrugosité est légèrement affectée mais elle ne nécessite aucun réusinage. Sur ces figures 5 et 6, on note également un changement radical de struc- ture qui permet une localisation précise de la-zone et la mesure de ses dimensions. Sur les 2 lots, on a mesuré une dureté Vickers supérieure à 200 dans la zone et de 80 entre les zones. En conséquence, les pièces suivant l'invention et qui possèdent donc des zones de faible largeur et de faible profondeur présentent un taux de déformation du profil de surface tel qu'il n'est plus nécessaire de les usiner. D'autres pièces du même type ont été préalablement revêtues d'un film de fer par électrolyse en quantité telle qu'elle permettait après fusion de réaliser en surface un alliage à 15 % de fer. Ces pièces ont été partagées également en 2 lots qui ont subi les mêmes traitements que ceux décrits plus haut, sauf en ce qui concerne la dis- position des zones traitées. En effet, la surface des pièces du lot 1 a été traitée suivant des bandes parallèles unidirectionnelles se chevauchant (lot IA) ou non (lot lB): distance entre bande 2000 pm) alors que celle du lot 2 a été traitée sui- 3 vant un réseau de bandes parallèles se croisant à angle droit et distan- tes les unes des autres de 200 m. tes les unes des autres de 200 nJm. 9 2594852 L'examen micrographique des surfaces a montré que dans certains cas' les zones traitées des lots IA et lB présentaient des fissurations (6)(fig.7) alors que celles du lot 2 (fig.6) en étaient dépourvues. Dans une autre série d'essais, on a remplacé le fer par un dépôt galvanique de nickel de manière à réaliser en surface après fusion un alliage à 10 % de nickel et on a soumis les pièces des 2 lots à des mesures de frottement-usure au moyen du tribomètre CAMERON-PLINT. Ce tribomètre est constitué par un segment en fonte chromée qui appuie sur la surface à contrôler et qui est animé d'un mouvement alternatif de façon à simuler approximativement le frottement qui se produit entre les segments insérés dans le piston et la chemise d'un moteur à combustion interne. Dans le cas présent, la charge d'appui était de 100 N, la température de la pièce de 100 C, la fréquence du mouvement de 12 Hz et la durée d'essai de 30 mn. La surface était au préalable lubrifiée avec une huile du type Neutral 150. Les pièces du lot 1 se sont dégradées rapidement (détachement de débris de grandes dimensions > I pm de la surface traitée). Il en a été de même du segment en fonte chromée. Quant aux pièces du lot 2, elles n'ont donné lieu à aucune dégradation visible ni perte de poids mesurable. La présente invention trouve son application dans la fabrication de piè- ces en aluminium et ses alliages destinées à être soumises à des frotte- ments telles que par exemple les pièces mécaniques (chemises de moteurs et pistons, sièges de soupapes, tambours et disques de freins, poulies crantées de transmission, filières, engrenages, coussinets, portées d'arbres d'entraînement, roulements à billes, etc...) et des pièces é- lectriques de contact o on combine frottement et passage du courant électrique (connectique, contatt glissant, collecteur de moteur électri- que, etc...). 0lo 2594852 REVENDICATIONS 1. Pièces en aluminium et ses alliages dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure constituée par une ré- partition contr8ôlée de zones durcies par effet de fusion localisée carac- térisées en ce que ces zones, quelles que soient leur longueuret leur for- me, ont une largeur et une profondeur comprises entre 3 et 150 tm et que la fraction surfacique des zones pour chaque mm d'une région est com- prise entre 5 et 60 %. 2. Pièces suivant la revendication 1 caractérisées en ce que lorsque les zones s'entrecroisent, la fraction surfacique de recouvrement desdites zones pour chaque mm d'une région est inférieure à 50 % de la surface totale des zones. 3. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones ont une largeur et une profondeur comprises entre 10 et 100 plm. 4. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme de bandes continues de direction quelconque et sépa- rées les unes des autres par une distance comprise entre 20 et 1000 pm. 5. Pièces selon la revendication 4 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme d'au moins un réseau de bandes parallèles. 6. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme de bandes discontinues, de direction quelconque, sé- parées suivant leur longueur et les unes des autres par une distance comprise entre 20 et 1000 pm. 7. Pièces selon la revendication 6 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme d'au moins un réseau de bandes parallèles. 8. Pièces selon la revendication l caractérisées en ce qu'elles sont cons- tituées par un alliage dont les propriétés tribologiques sont susceptibles d'être améliorées par un traitement de fusion superficielle. 9. Pièces selon la revendication I caractérisées en ce que les zones sont constituées par un alliage de métal de base avec un élément ou un compo- sé d'apport tel que ledit alliage ait de meilleures propriétés tribolo- giques que le métal de base. 10. Pièces selon la revendication 9 caractérisées en ce que le composé d'apport appartient à la famille du fer, du nickel. Il. Procédé d'obtention de pièces métalliques selon la revendication I caractérisé en ce que l'on applique un rayonnement laser focalisé de ma- nière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieu- res à 150 M.