Brevet FR2699240A1 — publié le 19940617

STRUCTURE DE SURFACE DE GLISSEMENT La présente invention concerne une structure de surface de glissement constituant une surface de glissement pour un élément conjugué. Un exemple d'une telle structure de surface de glissement classique connue est une couche plaquée au nickel formée autour de la partie de portée extérieure, en un matériau de base, par exemple dans un arbre à cames pour un moteur à combustion interne, afin d'en améliorer la résistance au grippage de l'arbre à cames. Toutefois, dans les circonstances actuelles, dans lesquelles on demande au moteur à combustion interne une vitesse élevée et une puissance élevée, les structures de surface de glissement de la technique antérieure connaissent des problèmes dus à une propriété de retenue d'huile insuffisante, c'est-à-dire de conservation d'huile, ainsi qu'à une concordance initiale médiocre et une résistance au grippage insuffisante. Un but de la présente invention consiste à proposer une structure de surface de glissement du type ci-dessus décrit, qui présente une propriété de retenue d'huile satisfaisante et une bonne concordance initiale, en spécifiant la structure cristalline, pour ainsi améliorer sa résistance au grippage. Pour atteindre ce but, il est proposé, selon la présente invention, une structure de surface de glissement, composée d'un agrégat de cristaux de métal ayant une structure cubique à faces centrées, l'agrégat comprenant des cristaux de métal orientés (hh O) dont les plans (hh O) (par indices de Miller) sont orientés en direction d'une surface de glissement, le taux S de cristaux de métal orientés (hh O) étant situé dans une plage définie par S la surface de glissement, est fixé dans la plage ci- dessus indiquée, un grand nombre de cristaux de métal en forme de pyramide (et/ou de pyramide tronquée) sont précipités dans la surface de glissement dans un état de pénétration mutuelle Il en résulte que la surface de glissement prend une morphologie complexe, comprenant un grand nombre de crêtes, un grand nombre de vallées formées entre les crêtes, et un grand nombre de creux formés par l'attaque mutuelle des crêtes Par conséquent, la structure de surface de glissement a une bonne capacité de retenue d'huile En outre, la concordance initiale de la structure de surface de glissement est améliorée par l'usure préférentielle des pointes des cristaux de métal en forme de pyramide La résistance au grippage de la structure de surface de glissement peut être améliorée par cette capacité de retenue d'huile et cette concordance initiale. Toutefois, si le taux S de cristaux de métal orientés (hh O) est égal ou supérieur à 25 Y, la morphologie de la surface de glissement tend à être simplifié, avec une augmentation du taux de cristaux de métal orientés (hh O) et, par conséquent, la retenue d'huile et la concordance initiale de la structure de surface de glissement sont réduites. Ces buts, ainsi que d'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une partie essentielle d'un arbre à cames; la figure 2 est une vue en coupe d'une partie essentielle d'une partie portée de l'arbre à cames; la figure 3 est une vue en perspective représentant une structure cubique à faces centrées et son plan (hh O); la figure 4 est une vue en perspective d'une partie essentielle d'un exemple d'une structure de surface de glissement; 5 la figure 5 est une vue en coupe selon une ligne -5 de la figure 4; la figure 6 est un diagramme de diffraction des rayons X pour un exemple de structure de surface de glissement; la figure 7 est une photomicrographie montrant la structure cristalline de la surface de glissement dans un exemple de structure de surface de glissement; la figure 8 est un diagramme de diffraction des rayons X pour un autre exemple de structure de surface de glissement; la figure 9 A est une photomicrographie montrant la structure cristalline de la surface de glissement dans l'autre exemple de structure de surface de glissement; la figure 9 B est une photomicrographie en agrandissement à partir de la figure 9 A; la figure 10 est un schéma montrant les résultats d'un essai de grippage; la figure Il est une vue en plan représentant les plans du cristal situés sur chaque pente dans un exemple d'une partie d'extrémité de pointe pour une forme en pyramide quadrangulaire; et la figure 12 est une vue en plan représentant les plans du cristal situés sur chaque pente dans un autre exemple d'une partie d'extrémité de pointe pour une forme en pyramide quadrangulaire. En se référant aux figures 1 et 2, un arbre à cames 1 pour un moteur à combustion interne a, comme matériau de base 2, de la fonte Une structure de surface de glissement lamellaire 4 est formée par placage sur la surface périphérique externe d'une partie portée 3 en matériau de base 2. Comme le montrent les figures 3 et 4, la structure de surface de glissement 4 est formée d'un agrégat de cristaux de métal ayant une structure cubique à faces centrées (structure fcc) L'agrégat comprend des cristaux de métal orientés (hh O), leurs plans (hh O) (par indices de Miller) étant orientés en direction d'une surface de glissement 4 a pour un élément d'appui 5 Le taux S de cristaux de métal orientés (hh O) est fixé dans une plage définie par S 25 k. Si le taux S de cristaux de métal orientés (hh O) 6 est fixé dans la plage ci-dessus, un grand nombre de cristaux de métal en forme de pyramide (et/ou en forme de pyramide tronquée), c'est-à-dire en forme de pyramide quadrangulaire, (dans le mode de réalisation représenté), les cristaux de métal 6 sont précipités dans la surface de glissement 4 a, dans des états de pénétration mutuelle La surface de glissement 4 a prend donc une morphologie complexe, comprenant un grand nombre de crêtes 7, de vallées 8 formées entre les crêtes 7, et un grand nombre de creux 9 résultant de l'attaque mutuelle des crêtes 7 Par conséquent, la structure de surface de glissement 4 a une retenue d'huile satisfaisante En outre, les extrémités de pointe des cristaux de métal 6 en forme de pyramide quadrangulaire subissent une usure préférentielle, ce qui donne une concordance initiale améliorée à la structure de surface de glissement 4. Des exemples de métaux ayant la structure cubique à faces centrées sont ceux de métaux simples, tels que Pb, Ni, Cu, Pt, Al, Ag, Au, etc, et des alliages de ceux-ci. Les tableaux 1 et 2 donnent les conditions de base pour l'électrodéposition de Ni pour le traitement de placage pour la formation de la structure de surface de glissement 4 selon la présente invention. Tableau 1 Composition du bain de placage (g/litre) Sulfure de Chlorure de Acide Nickel Nickel borique 400 50 150 5 50 Tableau 2 Conditions de traitement p H du bain de Température du Densité de placage bain de placage courant de (OC) catho 5 e (A/dm 3 6 10 70 7 12 Lors du traitement d'électrodéposition de Ni dans les conditions cidessus décrites, la précipitation et le taux de cristaux de Ni orientés (hh O) sont régis par la densité du courant cathodique, le p H du bain de placage et autres facteurs semblables. Outre le procédé d'électrodéposition, d'autres exemples pour le traitement de placage peuvent être utilisés comme des procédés de dépôt physique en phase vapeur, des procédés de dépôt chimique en phase vapeur, des procédés de vaporisation, un dépôt ionique et autres semblables-, qui sont des procédés de dépôt en phase gazeuse Les conditions pour un dépôt de Pt ou d'Al par un procédé de vaporisation sont, par exemple, une pression d'Ar de 0,8 à 1 Fa; une puissance d'accélération d'Ar en courant continu de 200 à 1 000 W, et une température du matériau de base de 80 à 300 OC Pour le dépôt d'Al par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, les conditions sont, par exemple, en utilisant un matériau de départ d'Al(CH 3)3; un débit de gaz de 1 à 10 cc/min; la pression de 50 à 300 Pa dans la chambre; et une température de matériau de base de 300 à 600 OC. Des exemples particuliers vont être décrits ci- dessous. Une pluralité d'arbres à cames 1 pour moteurs à combustion interne a été obtenue en soumettant la surface périphérique extérieure d'une partie portée 3 en fonte, comme matériau de base, à un procédé d'électrodéposition de Ni pour former une structure de surface de glissement 4 comprenant un agrégat de cristaux de Ni. Les tableaux 3 et 4 montrent les conditions utilisées pour l'électrodéposition de Ni dans les exemples 1 à 11 de la structure de surface de glissement 4. Tableau 3 No Composition du bain de placage (g/litre) exemple Sulfate de Chlorure de Acide Nickel Nickel Borique 1 300 90 30 2 300 90 30 3 300 90 30 4 300 90 30 300 90 30 6 300 90 30 7 300 90 30 8 300 90 30 9 300 90 30 300 90 30 il 300 90 30 Tableau 4 Les tableaux 5 et 6 montrent la forme cristalline de la surface de glissement 4 a, la granulométrie des cristaux de Ni, le taux S de cristaux de Ni orientés et la dureté pour les exemples 1 à 11. N Conditions de traitement exemple p H du bain Température Densité de de placage du bain de courant de placage (OC) cathode (A/dm) 1 3,5 55 10 2 4 55 10 3 4,15 55 10 4 4,2 55 10 5,5 55 10 6 4 55 8 7 4 55 7 8 4 55 4 9 4 55 3,5 4 55 3 11 3 55 10 Tableau 5 Forme N cristalline Taille Taux S des cristaux de Dureté Ex de la grain Ni orientés (%) (Hv) surface de (Am) glissement { 111} { 200} { 220} { 331} 1 QP enviro L 17,3 5,1 2,6 75 200 2 QP enviro I 22,3 9,7 3,2 64,8 205 _ 3 QP environ 31,7 12 5,4 50,9 224 4 QP environ 33 16,1 10,5 40,4 222 grain environ très fin 0,5 DQP enviro L 45,5 20 7,2 27, 3 442 1,5 (suiv. crête) 6 QP enviror 33,1 14,1 14,8 38 225 grain environ très fin 0,5 QP = pyramide quadrangulaire DQP* = pyramide quadrangulaire déformée Tableau 6 Forme N cristalline Taille Taux S des cristaux de Dureté Ex de la grain Ni orientés (%) (Hv) surface de (Am) glissement { 111} { 200} { 220} { 331} 7 QP enviror 31,6 12,3 19,8 36,3 248 grain enviro L très fin 0,5 8 QP enviro L 29 10,2 25,2 35,6 221 grain environ très fin 0,5 9 IQP* environ 26 11 32,6 30, 4 250 IQP environ 18,2 11,5 50,3 20 300 11 QP* enviro L 17 3 O 80 210 QP* = pyramide quadrangulaire IQP = pyramide quadrangulaire imparfaite Le taux S a été déterminé de la manière suivante sur la base de diagrammes de diffraction des rayons X (rayons X appliqués dans un sens perpendiculaire à la surface de glissement 4 a) pour les exemples 1 à 11. L'exemple 2 va être décrit ci-dessous La figure 6 est un diagramme de diffraction des rayons X pour l'exemple 2 Le taux S de chacun des cristaux de Ni orientés a été déterminé à partir de chacune des expressions suivantes Ici, le terme "cristal de Ni orienté { 111}", par exemple, signifie un cristal de Ni orienté par son plan { 111} qui est orienté en direction de la surface de glissement 4 a. Cristaux de Ni orientés { 111}: Slll={(I 111 l/IA 111)/T}X 100 Cristaux de Ni orientés { 200}: 5200 ={(I 200/IA 200)/T}X 100 Cristaux de Ni orientés { 220}: 5220 ={(I 220/IA 220)/T}X 100 Cristaux de Ni orientés { 311}: 5311 ={(I 311/IA 311)/T}X 100 O Illl, I 200, I 220 et I 311 représentent chacun une mesure (cycles par seconde) de l'intensité des rayons X réfléchis à partir de chaque plan de cristal; IA 111, IA 200, IA 220 et IA 311 représentent chacun un pourcentage d'intensité des rayons X réfléchis par chaque plan de cristal sur une carte ASTM De plus, IA 111 = 100, IA 200 = 42, IA 220 = 21 et IA 311 = 20 De plus encore, T = (Illl/I Al 11) + (I 200/IA 200) + (I 220/IA 220) + (I 311/IA 311). La figure 7 est une photomicrographie montrant la structure cristalline de la surface de glissement 4 a de l'exemple 2 Sur la figure 7, on peut remarquer qu'un grand nombre de cristaux de Ni en forme de pyramide quadrangulaire s'attaquent mutuellement Comme le montrent le tableau 5 et la figure 6, le taux S de cristaux de Ni orientés (hh O), c'est-à-dire orientés { 220} est, dans l'exemple 2, égal à 3,2 %. La figure 8 est un diagramme de diffraction des rayons X pour l'exemple 5 Les figures 9 A et 9 B sont des photomicrographies montrant la structure cristalline de la surface de glissement 4 a dans l'exemple 5 La figure 9 B est une photomicrographie en agrandissement à partir de la figure 9 A On peut observer, sur les figures 9 A et 9 B, un grand nombre de cristaux de Ni en forme de pyramide quadrangulaire déformée Dans ce cas, le taux S de cristaux de Ni orientés { 220} est égal à 7,2 %, comme l'indiquent le tableau 5 et la figure 8. Un essai de grippage a été effectué pour les exemples 1 à 11, avec une pastille sur disque, afin de déterminer la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 220} et la charge produisant le grippage, ce qui a donné les résultats montrés sur le tableau 7 et la figure 10 Les conditions d'essai étaient les suivantes: le matériau du disque était de l'Al à 10 % en poids d'alliage de Si; la vitesse de rotation du il disque était de 15 m/sec; la quantité d'huile amenée était de 0,3 ml/min; et la superficie de la surface de glissement de la pastille obtenue à partir de la structure de surface de glissement était de 1 cm 2. Tableau 7 La figure 10 est un diagramme obtenu à partir du tableau 7, dans lequel les points ( 1) à ( 11) correspondent respectivement aux exemples 1 à 11. Ainsi qu'il ressort du tableau 7 et de la figure dans les exemples 1 à 7 qui ont un taux S de cristaux de Ni orientés { 220} dans une plage définie par S exemples 8, 9 et 10. Dans l'exemple 11, le taux S de cristaux de Ni Exemple Charge produisant le No grippage (N) i 650 2 680 3 650 4 550 650 6 500 7 400 8 300 9 250 200 11 il 1700 orientés { 220} est égal à O W- En fixant ainsi le taux S à O Y-, les cristaux de Ni en forme de pyramide quadrangulaire sont précipités dans la plus grande concentration, ce qui donne la meilleure résistance au grippage. Dans les cristaux de métal ayant la structure cubique à faces centrées, la forme cristalline sur la surface de glissement, les plans des cristaux situés sur les pentes et autres éléments pour les cristaux de métal orientés sont montrés au tableau 8. Tableau 8 Il convient de noter que, en ce qui concerne la mouillabilité à l'huile ou autre semblable des plans de cristaux situés sur les pentes, le plan (hhh) est supérieur au plan (h OO). La structure de surface de glissement de la présente invention est applicable, par exemple, à la partie glissement de l'un quelconque des éléments suivants d'un moteur à combustion interne: pistons Cristal de Forme Plan du Caractéristique Dessin métal cristalline cristal de la pente de ré- orienté sur la situé sur férence surface de la pente glissement ( 3 hhh) pyramide plan (h OO) bonne mouilla Fig 11 quadrangu plan à bilité et laire forte bonne condensa résistance tion à l'usure d'atomes (h OO) pyramide plan (hhh) dureté Fig 12 quadrangu plan très élevée laire serré excellente mouillabilité et bonne résistance à l'usure (cordons, jupes -et gorges de segment), segments de piston, axes de piston, bielles, vilebrequins, métaux pour coussinets, rotors de pompe à huile, carters de rotor de pompe à huile, ressorts (faces de bout), cuvettes de ressort, retenues de ressort, clavettes, culbuteurs, cages extérieures de roulements à rouleaux, cages intérieures de roulements à rouleaux, cages extérieures de roulements à aiguilles, cages intérieures de roulements à aiguilles, tiges de soupape, portées de soupape, poussoirs hydrauliques, arbres de rotor de pompe à eau, poulies, engrenages, parties d'arbre de transmission, disques d'embrayage, rondelles, boulons (surfaces portantes et parties filetées), chaînes, courroies métalliques, cylindres, paliers d'arbres à cames. REVENDICATIONS 1 Structure de surface de glissement, qui est formée d'un agrégat de cristaux de métal ayant une structure cubique à faces centrées, ledit agrégat comprenant des cristaux de métal orientés (hh O), leurs plans (hh O) (par indices de Miller) étant orientés en direction de la surface de glissement, le taux S de cristaux de métal orientés (hh O) étant situé dans une plage définie par S 2 Structure de surface de glissement, qui est formée d'un agrégat de cristaux de métal ayant une structure cubique à faces centrées, le taux S de cristaux de métal orientés (hh O), leurs plans (hh O) (par indices de Miller) étant orientés en direction d'une surface de glissement, étant égal à O % dans ledit agrégat. 3 Structure de surface de glissement selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdits cristaux de métal sont des cristaux de Ni, lesdits plans (hh O) étant des plans { 220}, et dans laquelle, lorsque le taux S de cristaux de Ni orientés { 220} se situe dans une plage définie par O % Ni en forme de pyramide tronquée.