Brevet FR2669846A1 — publié le 19920605

PROCSE P%R IR/gIER IA SURFA IYUN ORGANE MECANIOUE TRAVAILLANT PAR FROTTEMENT La présente invention se rapporte à un procédé pour traiter la surface d'un organe mécanique travaillant par frottement et concerne notamment son utilisation au traitement d'organes mécaniques pour un moteur à combustion interne. Depuis les débuts de la construction mécanique on a cherché à diminuer les frottements, consommateurs d'énergie, pour les pièces ou organes devant être sollicités en mouvement les uns par rapport aux autres pour la production et la transmission d'énergie mécanique. Cette recherche d'économie d'énergie par réduction des frottements est particulièrement importante dans le développement des moteurs à combustion interne. Dans les moteurs à combustion interne les organes travaillant par frottement tels que les cylindres ou encore les arbres à cames sont soumis à des contraintes de frottement mais également d'usure et de corrosion. Les caractéristiques rhéologiques de résistance à l'usure et à la corrosion ont été améliorées par l'utilisation de revêtements surfaciques de plus en plus durs chromage, nitruration, vitrification. Les caractéristiques tribologiques de réduction des frottements ont elles progressé par l'amélioration des états de surfaces et l'utilisation de frottement médiat interposition d'un film d'huile aux caractéristiques de plus en plus performantes. Une limite est cependant apparue à ces progrès la difficulté à obtenir des surfaces combinant une faible rugosité (de bons états de surfaces), une grande dureté superficielle et une bonne adhérence à l'huile de graissage. Pour favoriser la lubrification des surfaces frottantes on pratique couramment des stries le long des surfaces qui ont pour objet d'amener l'huile et de la retenir. Cette technique présente des inconvénients elle allonge le processus de fabrication, elle est difficile à mettre en oeuvre compte tenu de la dureté des surfaces et si les stries favorisent la circulation de l'huile, elles permettent difficilement sa rétention. Le but de la présente invention est de pallier à ces difficultés en proposant un procédé de traitement des surfaces frottantes, de mise en oeuvre assez simple, qui simultanément durçit ces surfaces, assure un état de surface adéquat et favorise la rétention et la circulation de l'huile. Conformément à l'invention le procédé pour traiter la surface d'un organe mécanique destinée à travailler par frottement en présence de lubrifiants, est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dépôt d'un revêtement métallique sur la dite surface, - amorphisation surfacique dudit revêtement par iradiance laser avec formation de reliefs adaptés à l'irrigation et à la rétention du lubrifiant sur ledit revêtement. Selon une caractéristique de l'invention la première étape de l'invention comprend: - le traitement préalable de la surface, - le dépôt d'une couche de liaison destiné à fixer le revêtement sur la surface, - le dépôt d'une couche métallique amorphisable. Selon une caractéristique de l'invention le traitement préalable de la surface consiste en un dégraissage acide suivi d'un rinçage de manière à assurer la bonne adhérence des dépôts. Selon une caractéristique de l'invention le premier dépôt est constitué par un alliage à base de Nickel s'étendant sur une épaisseur d'environ 1 à 5 microns. Selon une caractéristique de l'invention, le second dépôt est constitué par un alliage de Fer contenant en poids : 10 à 40% de Nickel, 10 à 20% de Bore, 2 à 10% de Silicium, le Fer et les impuretés constituant le solde et le second dépôt s'étend sur une épaisseur d'environ 10 à 40 microns. Selon une caractéristique de l'invention, la fusion ou amorphisation surfacique du revêtement est obtenue par l'émission d'irradiances ou de pulses laser selon un balayage précis de type quadrillage, les impacts étant ainsi régulièrement répartis sur toute l'étendue de la surface à traitée et définissent sur la surface du revêtement des déformations plastiques de type cratère à savoir une cavité entourée d'un bourrelet. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé est utilisé au traitement d'organes mécaniques pour moteur à combustion interne tels que des cylindres, pistons, poussoirs ou encore arbres à cames. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente une vue partielle en coupe d'une surface traitée suivant le procédé objet de l'invention. Conformément à la figure 1 la réalisation du revêtement est schématiquement la suivante: - réalisation de dépôt multicouche multimatériaux sur la surface à traiter, - et fusion laser superficielle. Détaillons ces opérations. La surface métallique 1 faisant l'objet du dépôt doit être soigneusement préparée. Cette préparation préliminaire doit garantir une bonne adhérence du revêtement. Pour cela il convient d'effectuer d'abord un dégraissage acide suivi d'un rinçage soigné de la surface métallique. Pour les métaux ferreux telle la fonte il peut être nécessaire de recourir à un décapage électrolytique type NaNO3 suivi d'un ébavurage par aspersion d'eau à haute pression (100 bars et plus) pour éliminer les particules de graphite qui par désorption entraveraient la bonne adhérence du revêtement. La préparation suivante consiste à déposer une couche métallique 2 de faible épaisseur de 1 à 5 microns par un procédé adapté. Une couche à base de Nickel, déposée par électrochimie suivant les paramètres: densité de courant 10 à 20 A/dm2 assurant une vitesse de dépôt de 2 à 4 microns/mn, convient parfaitement pour les métaux ferreux. Cette couche constitue une liaison d'accomodation entre le substrat 1 et le dépôt ultérieur 3 pré-disposé au traitement de vitrification. D'autres procédés telle la projection thermique par Plasma ou Laser conviennent aussi mais sont de mise en oeuvre plus coûteuse. D'autres métaux ou alliages métalliques tels le Nickel Alluminium conviennent également, en particulier, lorsqu'on recherche le rapprochement des modules d'élasticité et des coefficients de dilatation entre le substrat 1 et la couche de verre métallique 3. L'opération suivante consiste à déposer la couche 3 pré-disposée à la vitrification. Suivant la formulation chimique et l'épaisseur déposée certains procédés sont plus ou moins appropriés. Les alliages compIexes métaux-métalloides à multiples constituants comme les ferreux Fer - Nickel - Bore - Silicium sont les plus faciles à vitrifier ; les fourchettes de composition en poids étant : Fer : 40 à 80 % ; Nickel 10 à 40 % ; Bore : 10 à 20 % et Silicium : 2 à 10 %. Le Chrome et le Molybdène peuvent remplacer en partie ou totalement le Nickel ; le Bore et le Silicium peuvent de même être remplacés respectivement par le Phosphore et le Carbone. li est cependant essentiel de respecter un ratio de teneurs métaux sur métalloides compris entre 4 et 6 pour avoir un corps pré-disposé à l'amorphisation. Cette couche 3 multi constituants peut être déposée par projection thermique de poudre par Plasma ou Laser, la poudre portée par un lit fluidisé est injectée dans le faisceau, elle est plus ou moins fondue avant d'atteindre la cible elle-même portée localement à l'état liquide. D'autres procédés peuvent être mis en oeuvre pour effectuer le dépôt : placage d'un ruban sur une épaisseur de 10 à 40 microns ou dépôt électrochimique pour des couches de formulation chimique plus simple à base de métaux semi-précieux tels le Palladium et le Cuivre. L'opération finale consiste à réaliser la transformation structurale de cette dernière couche vitrification ou amorphisation par irradiance Laser.On procède avec un Laser 5 pulse de type YAG de puissance moyenne supérieure à 300 W avec une très forte densité d'énergie : plus de 10.000 W/mm2 pendant un laps de temps d'interaction inférieur à 0,5 msec. Ces paramètres permettent une vitesse de traitement supérieure à 2m/sec. sur une profondeur de 10 à 30 microns. Pour effectuer le traitement en évitant les recouvrements, la surface est balayée suivant un maillage précis (un quadrillage dans l'exemple illustré) le Laser étant activé à chaque noeud du maillage. Le déplacement du faisceau laser se fait à l'aide de machines spécifiques et de systèmes informatisés. Avec un Laser de fréquence supérieure à 1.000 Hz on traite toute la surface frottante d'un cylindre de moteur automobile en moins de deux minutes. Le faisceau Laser étant transporté par fibre optique de faible diamètre, inférieur à 1 mm, et renvoyé par un miroir à 45". Le résultat de l'opération est le gravage d'un motif surfacique constitué de cavités 4 avec bourrelets périphériques régulièrement répartis sur toute la surface traitée, confère figure I. La profondeur des cavités et la hauteur des bourrelets sont inférieures à 1 micron de façon à assurer une portance supérieure à 50 % à 1 micron selon la courbe d'Abott. Cette morphologie de surface assure une très bonne lubrification d'une part, par les réserves en huiles que constituent les cavités 4 non communicantes et d'autre part, par le réseau périphérique continu et extérieur aux bourrelets qui assurent la circulation de l'huile. Par ailleurs, le revêtement ainsi obtenu de verre métallique à une dureté superficielle très élevée, un très faible coefficient de frottement et une immunité vis à vis de la corrosion. Le niveau de dureté élevée supérieure à 750 HV assure l'anti usure de cette topographie de surface vis à vis des surfaces antagonistes dures utilisées. Le faible coefficient de frottement (moins de 0,08) favorise la fonction glissement en évitant les grippages localisés des deux surfaces frottantes. L'immunité vis à vis de la corrosion permet l'utilisation d'huiles chargées en stabilisants de type halogènes à tendance corrosive par vieillissement ce qui permet d'en éviter le renouvellement fréquent. Ainsi donc grâce au procédé qui vient d'être décrit on réalise en une seule passe : l'amorphisation du revêtement surfacique améliorant sensiblement les propriétés de résistance aux chocs thermiques, tribologiques, de résistance à la corrosion, à l'érosion, à l'abrasion, à l'usure et la formation d'une topographie superficielle permettant une excellente lubrification de la surface. REVENDICATIONS [1] Procédé pour traiter la surface (1) d'un organe mécanique, destinée à travailler par frottement en présence de lubrifiant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dépôt d'un revêtement métallique (2, 3) sur la dite surface (I). - amorphisation surfacique du dit revêtement par irradiance Laser avec formation de reliefs (4) adaptés à l'irrigation et à la rétention du lubrifiant sur le dit revêtement. [2] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape comprend: - le traitement préalable de la surface (1), - le dépôt d'une couche de liaison (2) destiné à fixer le revêtement sur la surface (1), - le dépôt d'une couche métallique amorphisable (3). [3] Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement préalable de la surface est réalisé par dégraissage acide suivi d'un rinçage de manière à assurer la bonne adhérence des dépôts (2, 3). [4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que le premier dépôt (2) est constitué d'un alliage à base de Nickel s'étendant sur une épaisseur d'environ 1 à 5 microns. [5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le second dépôt (3) est constitué par un alliage de Fer contenant en poids 10 à 40 % de Nickel, 10 à 20 % de Bore, 2 à 10 % de Silicium, le Fer et les impuretés constituant le solde et en ce que le second dépôt (3) s'étend sur une épaisseur d'environ 10 à 40 microns. [6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fusion ou amorphisation surfacique du revêtement (2, 3) est obtenue par émission d'irradiance ou de pulses Laser selon un balayage précis de type quadrillage, les impacts étant ainsi régulièrement répartis sur toute l'étendue de la surface à traiter, et en ce que les dits impacts définissent sur la surface du revêtement des déformations plastiques de type cratère (4) à savoir une cavité entourée d'un bourrelet. [7] Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 où traitement d'organes mécaniques pour moteur à combustion interne tels que cylindres, arbres à cames, poussoirs.