Brevet FR2676017A1 — publié le 19921106

PROCEDE POUR RENFORCER LA SURFACE D'UNE PIECE MECANIOUE k BASE D'ALUMINIUM ET APPLICATIONS A LA REALISATION DE PIECES POUR MOTEUR A COMBUSTION La présente invention concerne un procédé pour renforcer la surface d'une pièce mécanique en aluminium pur ou en alliage d'aluminium, utilisée par exemple dans la construction automobile et en particulier dans les moteurs à combustion interne. La présente invention se rapporte également à l'utilisation de ce procédé pour réaliser des pièces de moteurs à combustion interne. L'utilisation d'aluminium pur ou d'alliages d'aluminium pour la fabrication de pièces mécaniques, entrant notamment dans la réalisation de moteur à combustion interne présente de nombreux avantages : grande légèreté, bonne coulabilité, forte vitesse d'usinage et bonne répartition de la chaleur. Malheureusement les caractéristiques mécaniques des alliages d'aluminium sont peu élevées surtout à chaud : faible dureté, mauvais coefficient de frottement, etc. . Pour améliorer les caractéristiques mécaniques, essentiellement les surfaces actives de ces pièces, il est nécessaire de recourir à des traitements superficiels ou bien à rapporter des inserts. Les traitements de surface consistent principalement à recouvrir les surfaces à protégées d'un matériau adapté. On peut citer le chromage des fûts de cylindres ou le revêtement de l'alésage par un dépôt électrolytique de chrome procure une surface dure et glissante. On peut encore citer les revêtements électrolytiques de nickel dopé au carbure de silicium. Malheureusement de tels dépôts sont longs à mettre en place et d'autre part ne sont pas assez résistant pour être employés pour protéger des pièces très sollicités comme les sièges de soupapes et en particulier les sièges des soupapes d'échappement soumises à des contraintes de température, de corrosion et de frottement. Aussi pour les zones très exposées on a recours aux inserts. La réalisation de pièces composites, constituées d'un assemblage de pièces en plusieurs matériaux, s'opère traditionnellement, soit sur des pièces brutes par insertion à la coulée comme les patins de culbuteur en acier rapide, soit sur des pièces quasi usinées par montage comme les sièges de soupapes en fonte au chrome emmanchés-frettés dans la culasse. La réalisation de pièces composites a pour inconvénients d'engendrer des discontinuités thermiques et métallurgiques entre les pièces qui les constituent, ce qui a pour effet d'entraîner, dans certaines circonstances, d'importantes tensions internes d'où une fragilité des régions soumises à des contraintes importantes comme par exemple les pontets inter-soupapes. La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement de surface pour des pièces mécaniques en aluminium ou en alliage d'aluminium extrêmement résistant qui supprime le recours aux inserts. le procédé pour renforcer localement la surface d'une pièce mécanique à base d'aluminium et soumise à d'importantes sollicitations thermiques et/ou mécaniques, telles que des pièces de moteur à combustion interne, est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - dépôt d'un revêtement métallique sur ladite pièce formant le substrat, le revêtement métallique étant d'épaisseur donnée et composé d'éléments chimiques aptes à former avec l'aluminium des alliages de forte dureté - irradiance sous vide du revêtement par un faisceau d'électrons à haute densité opérant suivant des caractéristiques physiques et suivant un balayage prédéterminé, de manière à fondre le revêtement et le substrat sur une profondeur voulue ; ce processus permet de réaliser in situ un alliage de combinaison superficiel qui en fonction des compositions chimiques respectives du substrat et des caractéristiques de l'irradiance, est à même de présenter une grande dureté, supérieure à HV 350 et ce sur une grande profondeur, plus de 2 mm. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, lesdits éléments chimiques rentrant dans la composition du revêtement sont le fer-et/ou le nickel et/ou le titane. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, le dépôt du revêtement est opéré par simple placage d'une feuille de métal laminée. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, le placage de ladite feuille est opéré purement mécaniquement par rivetage ou clipsage ou bridage ou emmanchement ou encore vissage. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, le dépôt du revêtement est opéré par voie thermique. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'irradiance est opérée suivant un balayage triangulaire du faisceau d'électrons combinant des déplacements limités et combinés du faisceau d'électrons suivant deux directions orthogonales, couplé à un déplacement relatif de la pièce mécanique, de manière à balayer toute la surface à traiter. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'irradiance par faisceau d'électrons du revêtement satisfait aux conditions suivantes - densité de puissance : de 5 à 15 kW/mmZ - durée d'interaction faisceau matière : de 0,1 à 0,2 s - taux de recouvrement des passes proche de 90t Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'irradiance par faisceau d'électrons du revêtement (1) est réalisée avec les conditions opératoires suivantes - puissance du faisceau d'électrons: de l'ordre de 10 kW - fréquence de balayage du faisceau : environ 500 Hz - amplitudes des déflexions du faisceau : de 15 à 20 mm suivant la direction Y-Y' et de 3 à 4 mm suivant la direction X-X' - diamètre du faisceau au niveau de la pièce, encore appelé diamètre du spot, : environ 1 mm - vitesse de translation faisceau-surface : de 15 à 30 mm/s. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, ladite pièce mécanique est constituée d'un alliage à base d'aluminium dopé au silicium. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, l'alliage de combinaison est soumis de nouveau à une irradiance par faisceau d'électrons pour lisser la rugosité de surface résiduelle et affiner la structure de solidification en extrême surface. l'invention concerne également les applications du procédé à la réalisation de pièces pour moteur à combustion interne. Une première application du procédé consiste à réaliser des sièges de soupape directement intégrés à la culasse d'un moteur à combustion interne. Une autre application du procédé consiste à réaliser des patins directement intégrés aux culbuteurs de distribution d'un moteur à combustion interne. Une autre application du procédé consiste à renforcer la gorge du segment coup de feu d'un piston de moteur à combustion interne. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique du procédé de traitement suivant l'invention. Conformément à la figure 1 le procédé pour traiter les pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium consiste en une succession d'opérations. Il s'agit d'abord de revêtir la surface concernée par une couche métallique de composition et de forme adaptées, puis d'opérer une fusion sous forte densité d'énergie pour générer un alliage de combinaison mélangeant les éléments du dépôt aux éléments du substrat. La première opération consiste donc à déposer le métal (1) d'apport sur la surface (3) devant être protégée de la pièce mécanique (2). Le revêtement doit avoir une épaisseur suffisante pour tenir compte du taux de dilution intervenant lors de l'irradiation ultérieure sur une forte profondeur. Le choix du métal d'apport est fonction de la nature du substrat. Pour des alliages d'aluminium utilisés actuellement pour des raisons de bonne coulabilité et contenant du silicium, tels les alliages AS5U3G pour culasse, AS7G pour culbuteur ou ASl2UN pour piston, le métal d'apport doit former des alliages de combinaison comprenant des composés intermétalliques promoteurs d'une dureté élevée. Les métaux tels que le nickel, le fer ou le titane conviennent par formation de composés respectivement : Al3Ni, AL3Fe et Al3Ti conformément aux diagrammes d'équilibre, La présence de silicium est particulièrement conseillée car le silicium permet d'affiner la structure de solidification et ainsi d'augmenter la dureté de l'alliage de combinaison. Les dimensions du revêtement et en particulier son épaisseur doivent être suffisantes pour conférer la teneur globale nécessaire dans toute l'épaisseur de l'alliage de combinaison. Ainsi dans le cas d'apport de nickel sur l'alliage AS5U3G, une dureté proche de HV 380 stobtient avec une teneur de nickel de l'ordre de 10%. Un apport préalable de nickel sur environ 10% de l'épaisseur de la couche d'alliage de combinaison sera donc suffisant soit par exemple une épaisseur de dépôt de 250 microns permet d'obtenir un alliage de combinaison de 2,5 mm. Le dépôt du le métal d'apport (1) peut s'effectuer de différentes manières. Un dépôt projeté par voie thermique, par exemple par plasma soufflé ou chalumeau oxyacétylénique, convient parfaitement. Il est également possible de déposer le métal sous forme de feuille de métal laminée et plaquée mécaniquement par rivetage ou clipsage ou emmanchement ou encore vissage, convient parfaitement et présente l'avantage d'une mise en oeuvre rapide et peu coûteuse. La deuxième opération consiste à irradier sous forte densité d'énergie par un faisceau d'électrons (4) ou par laser la surface ainsi recouverte. La densité d'irradiance et la duré d'interaction faisceau-matière définissent la profondeur de refusion et de ce fait l'épaisseur de la couche d'alliage de combinaison. Le laser est limité en capacité de pénétration dans les alliages légers en raison de la formation d'un plasma réflecteur thermique dans l'air ambiant. Le faisceau d'électrons opérant sous vide s'affranchit de ce phénomène et de plus n'est pas soumis aux aléas d'absorption photonique des surfaces réfléchissantes. Enfin le faisceau d'électrons opérant sous vide présente des performances de balayage mieux adaptées à la configuration du bain liquide à maîtriser. L'irradiance par faisceau d'électrons (4) est opérée avec les paramètres suivants - puissance du faisceau de l'ordre de 10 kW ; - fréquence de balayage du faisceau : 500Hz ; - balayage triangulaire du faisceau combinant des déplacements combinés du faisceau suivant deux directions orthogonales ; amplitude des déflexions du faisceau : de 15 à 20 mm (a) suivant la direction YY' et de 3 à 4 mm (b) suivant la direction XX' - diamètre du faisceau de l'ordre de 1 mm ; - vitesse de translation, suivant la direction XX', de la surface à traiter de l'ordre de 15 à 30 mm / s (V) Le traitement est caractérisé par les paramètres - densité de puissance de l'ordre de 5 à 15 kW / mm2 ; - durée d'interaction faisceau-matière de l'ordre de 0,1 à 0,2 s - taux de recouvrement des passes proche de 90%. Ces paramètres peuvent être ajustés pour adapter la profondeur de traitement. La profondeur de traitement est en effet fonction croissante quasi linéaire du paramètre global : racine carrée de (durée d'interaction faisceau-matière multipliée par la densité de puissance et divisée par la vitesse de translation). La troisième opération facultative consiste à réaliser une deuxième irradiation sous une profondeur plus faible pour lisser la rugosité de surface du bain liquide et éventuellement affiner la structure de solidification en extrême surface. Il en résulte donc que l'association, d'une part de la composition des éléments d'alliages et d'autre part du choix des paramètres de traitement, permet d'obtenir des couches dures et épaisses. Ainsi en irradiant l'alliage AS5U3G recouvert d'un revêtement de nickel de 0.25 mm selon une valeur du paramètre global de 7.3 on obtient une couche de dureté HV 380 sur 2.5 mm de profondeur. Cette dureté élevée est notamment due à l'affinage par le silicium des dendrites de solidification. La couche de combinaison étant obtenue par refusion de l'alliage il est essentiel d'utiliser un alliage dépourvu de gaz occlus par dégazage sous vide ou par insufflation d'un gaz neutre lors de l'élaboration par fusion, sous peine de provoquer une coalescence de ces gaz occlus sous forme de porosités à l'interface alliage de combinaison substrat. Un tel procédé peut être utilisé pour élaborer des pièces mécaniques des moteurs à combustion interne particulièrement sollicitées mécaniquement et/ou thermiquement. En particulier il est possible de réaliser des sièges de soupapes directement intégrés à la culasse. Une telle réalisation supprime la discontinuité de matière des sièges rapportés, sur le parcours thermique portée soupape-chambre d'eau de la culasse ; il en résulte une meilleure efficacité du transfert thermique. Il est également possible grâce au procédé précédemment décrit de réaliser des patins directement intégré au culbuteur, qui se traduit par un allégement de la masse oscillante et de ce fait par une diminution des pertes d'énergie cinétique alternative de la culbuterie. Il est également possible de renforcer la gorge de segment coup de feu des pistons ; ce qui permet d'améliorer la résistance aux fortes pressions à chaud d'ou possibilité d'éviter l'utilisation d'alliages hyper-siliciés plus coûteux en transformation. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple, ainsi qu'aux quelques exemples d'application. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leur combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS [ 1 ] Procédé pour renforcer localement la surface (3) d'une pièce mécanique (2) à base d'aluminium soumise à d'importantes sollicitations thermiques etjou mécaniques, telles que des pièces de moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - dépôt d'un revêtement métallique (1) sur ladite pièce (2) formant le substrat, revêtement métallique (l) d'épaisseur donnée et composé d'éléments chimiques aptes à former avec l'aluminium des alliages de forte dureté ;; - irradiance sous vide du revêtement (1) par un faisceau d'électrons (4) à haute densité opérant suivant des caractéristiques physiques et suivant un balayage prédéterminé, de manière à fondre le revêtement (1) et le substrat (2) sur une profondeur voulue ce qui permet de réaliser in situ un alliage de combinaison superficiel qui en fonction des compositions chimiques respectives du substrat (2) et des caractéristiques de l'irradiance, est à même de présenter une grande dureté, supérieure à HV 350 sur une grande profondeur, plus de 2 mm. [ 2 ] Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments chimiques rentrant dans la composition du revêtement sont le fer et/ou le nickel et/ou le titane. [ 3 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le dépôt du revêtement (1) est opéré par simple placage d'une feuille de métal laminée. [ 4 ] Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le placage de ladite feuille est opéré purement mécaniquement par rivetage, clipsage,bridage,emmanchement ou encore vissage. [ 5 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 2, caractérisé en ce que le dépôt du revêtement (1) est opéré par voie thermique. [ 6 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'irradiance par le faisceau d'électrons (4) est opérée suivant un balayage triangulaire, combinant des déplacements limités et combinés du faisceau d'électrons suivant deux directions orthogonales (X-X',Y-Y'), et un déplacement relatif de la pièce mécanique à traiter (2). [ 7 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'irradiance par faisceau d'électrons (4) du revêtement (1) satisfait aux conditions suivantes - densité de puissance : de 5 à 15 kW /mm2; - durée d'interaction faisceau matière : de 0,1 à 0,2 s ; - taux de recouvrement des passes proche de 90% [ 8 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'irradiance par faisceau d'électrons (4) du revêtement (1) est réalisée avec les conditions opératoires suivantes - puissance du faisceau d'électrons: de l'ordre de 10 kW - fréquence de balayage du faisceau : environ 500 Hz ; - amplitudes des déflexions du faisceau : de 15 à 20 mm suivant la direction Y-Y' (a) et de 3 à 4 mm suivant la direction X-X' (b) ; - diamètre du spot : environ 1 mm ; - vitesse de translation faisceau-surface : de 15 à 30 mm/s. [ 9 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite pièce mécanique (2) est constituée d'un alliage à base d'aluminium et dopé au silicium. [ 10 ] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'alliage de combinaison est soumis de nouveau à une irradiance par faisceau d'électrons pour lisser la rugosité de surface résiduelle et affiner la structure de solidification en extrême surface. [ Il ] application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, à la réalisation de siège de soupape directement intégré à la culasse d'un moteur à combustion interne. [ 12 ] application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, à la réalisation de patin directement intégré à un culbuteur de distribution d'un moteur à combustion interne. [ ll ] application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, au renforcement de la gorge du segment coup de feu d'un piston de moteur à combustion interne.