Brevet FR2698925A1 — publié le 19940610

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 d'une surface périphérique extérieure d'une partie portée, en un matériau de base, d'un arbre à cames pour un moteur à combustion interne, afin d'en améliorer la résistance au grippage et à l'usure. Toutefois, dans les circonstances actuelles, dans lesquelles la vitesse et la puissance du moteur tendent à augmenter, les structures de surface de glissement de la technique antérieure connaissent les problèmes dus à une propriété de retenue d'huile insuffisante, c'est-à- dire de conservation d'huile, ainsi que de concordance initiale médiocre, ce qui aboutit à une résistance insuffisante au grippage, et elles connaissent également le problème d'augmentation de l'usure de l'élément portant sur elle, qui est l'élément conjugué. 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 et une concordance initiale requises pour améliorer la résistance au grippage, en spécifiant la structure cristalline, et qui présente également une résistance satisfaisante à l'usure et assure la suppression de l'usure de l'élément conjugué. 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 ( 3 hhh) dont les plans ( 3 hhh) par indices de Miller sont orientés en direction d'une surface de glissement Le taux S de cristaux de métal orientés ( 3 hhh) étant situé dans une plage représentée par S > 40 W. Dans l'agrégat des cristaux de métal ayant la structure cubique à faces centrées, les cristaux orientés ( 3 hhh), avec leurs plans ( 3 hhh) par indices de Miller orientés en direction de la surface de glissement, sont soumis à une croissance du type basaltique et ils sont en forme de pyramide ou de pyramide tronquée Ensuite, si le taux S de cristaux de métal orientés ( 3 hhh) est fixé dans la plage ci-dessus, des cristaux orientés ( 3 hhh) adjacents se trouvent dans un état de pénétration mutuelle et 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 La structure de la surface de glissement présente donc une meilleure capacité de retenue d'huile En outre, la concordance initiale de la structure de la surface de glissement est améliorée par l'usure préférentielle des pointes des cristaux de métal orientés ( 3 hhh) La résistance de grippage de cette structure de surface de glissement est améliorée grâce à cette retenue d'huile et à la concordance initiale En outre, la structure de la surface de glissement présente une résistance à l'usure et une caractéristique d'usure telle que l'usure d'un élément conjugué est supprimée Toutefois, si le taux S de cristaux de métal orientés ( 3 hhh) est inférieur à 40 Y, la morphologie de la surface de glissement tend à être simplifiée, avec une réduction du taux de cristaux de métal orientés ( 3 hhh), ce qui aboutit à une dégradation de la retenue d'huile et de la concordance initiale de la structure de la surface de glissement. 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 ( 3 hhh); la figure 4 est une vue en perspective d'une partie essentielle, représentant un exemple d'une structure de surface de glissement; la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne -5 de la figure 4; la figure 6 est un schéma expliquant l'inclinaison du plan ( 3 hhh) dans la structure cubique à faces centrées; la figure 7 est un diagramme de diffraction des rayons X pour un exemple de structure de surface de glissement; la figure 8 est une photomicrographie montrant la structure cristalline d'une surface de glissement dans un exemple de structure de surface de glissement; la figure 9 est un schéma représentant la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et la charge produisant le grippage; la figure 10 est un schéma représentant la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et la dureté; la figure 11 est un schéma représentant la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et les degrés d'usure d'une pastille et d'un disque; la figure 12 est une vue en plan représentant les plans du cristal situés sur les pentes dans un exemple de partie d'extrémité de pointe en forme de pyramide quadrangulaire; et la figure 13 est une vue en plan représentant les plans du cristal situés sur les pentes dans un autre exemple d'une partie d'extrémité de pointe en forme de pyramide quadrangulaire. 5 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, comportant une structure de surface de glissement lamellaire 4 formée par placage sur une surface périphérique externe d'une partie portée 3 de l'arbre. Comme le montre la figure 3, 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 ( 3 hhh), leurs plans ( 3 hhh) 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 ( 3 hhh)est fixé dans une plage représentée par S > 40 W. Comme le montrent les figures 4 et 5, les cristaux de métal orientés ( 3 hhh) sont soumis à une croissance du type basaltique à partir du matériau de base 2 et ils présentent une forme de pyramide ou de pyramide tronquée (forme de pyramide quadrangulaire dans le mode de réalisation représenté) sur la surface de glissement 4 a Ensuite, si le taux S de cristaux de métal orientés ( 3 hhh) est fixé dans la plage ci-dessus indiquée, les deux cristaux orientés ( 3 hhh) adjacents sont dans un état d'empiétement mutuel, et, ainsi, la surface de glissement 4 a prend donc une morphologie complexe, comprenant un grand nombre de crêtes 7, de vallées 8 entre les crêtes 7, et un grand nombre de creux 9 résultant de l'attaque mutuelle des crêtes 7. Cela permet une retenue d'huile satisfaisante par la structure de surface de glissement 4 Les extrémités de pointe des cristaux de métal orientés ( 3 hhh) 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. La dureté Hv de la structure de surface de glissement 4, située dans une plage représentée par Hv 230, le degré d'usure subi par l'élément conjugué augmentera La valeur limite inférieure de la dureté Hv varie en fonction du matériau de l'élément conjugué Par exemple, si l'élément conjugué est fait d'un alliage d'aluminium, la valeur limite inférieure adéquate de la dureté Hv sera d'environ 145. Comme le montre la figure 6, l'inclinaison du plan ( 3 hhh) par rapport à un plan imaginaire 10, le long de la surface de glissement 4 a, se présente sous la forme d'une pyramide quadrangulaire, et, par conséquent, cela influe sur la retenue d'huile et sur la concordance initiale de la structure de surface de glissement 4 Ensuite, l'angle d'inclinaison O formé par le plan ( 3 hhh) par rapport au plan imaginaire 10 est fixé dans une plage représentée par 0 _ O Dans ce cas, le sens de l'inclinaison du plan ( 3 hhh) n'est pas limité, si l'angle d'inclinaison est supérieur à 150, la structure de surface de glissement 4 a une retenue d'huile réduite et une concordance initiale réduite. Les métaux ayant la structure fcc comprennent les cristaux de métaux simples, tels que Pb, Ni, Cu, Pt, Al, Ag, Au, etc, et les 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 selon la présente invention. Tableau 1 Tableau 2 Conditions de traitement p H du bain de Température du bain Densité de courant plaquage de plaquage (OC) de cathode (A/dm 2) 3 6 10 70 7 12 Lors de l'électrodéposition de Ni dans les conditions ci-dessus décrites, la précipitation et le taux de cristaux de Ni orientés ( 3 hhh) sont régies par la densité du courant cathodique, le p H du bain électrolytique et autres facteurs semblables. Outre l'électrodéposition, d'autres exemples de traitements de placage qui peuvent être utilisés comprennent des procédés de dépôt physique en phase vapeur, des procédés de dépôt chimique en phase vapeur, des procédés de vaporisation, un dépôt ionique et analogues, 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 watts, et une température du matériau de base de 80 à 300 O C Pour le dépôt d'Al par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, un exemple des conditions est le suivant: un matériau d'origine à base d'Al(CH 3)3, un débit de gaz de 1 à 10 cc/min, une pression de 50 à 300 Pa dans la chambre, et une température du matériau de base de 300 à 600 OC. Composition du bain de plaquage (g/litre) Sulfure de Chlorure de Acide Nickel Nickel borique 400 50 150 5 50 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 2 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 le procédé d'électrodéposition de Ni pour les exemples 1 à 6 de structures de surface de glissement 4. Tableau 3 Tableau 4 NO Conditions de traitement exemple p H du bain de Température du Densité de plaquage bain de plaquage courant de (OC) cathode (A/dm 2) 1 3,5 55 10 2 4 55 10 3 4,15 55 10 4 4,2 55 10 4 55 3,5 6 4 55 3 No Composition du bain de plaquage (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 Le tableau 5 montre 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.5 Tableau 5 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 (l'application des rayons X se faisait dans un sens perpendiculaire à la surface de glissement 4 a) pour les exemples 1 à 6 L'exemple 2 sera décrit ci-dessous La figure 7 est un diagramme de diffraction des rayons X pour l'exemple 2 Le taux S de chacun des cristaux de Ni orientés ont été déterminées à partir des expressions suivantes: cristaux de Ni orientés { 111}: Slll={(Illl/I Alll)/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 Forme No cristalline Taille Taux des cristaux de Dureté Ex de la grain Fe orientés (%)(Hv) surface de (im) glissement { 111} { 200} { 220} { 331} 1 QP enviroi 17,3 5,1 2,6 75 200 2 QP enviro L 22,3 9,7 3,2 64,8 205 3 QP enviroi 31,7 12 5,4 50,9 224 4 QP* enviroi 33 16,1 10,5 40,4 222 grain fin enviroi 0,5 IQP environ 26 11 32,6 30,4 250 6 IQP* 18,2 11,5 50,3 20 300 cristaux de Ni orientés { 311}: 5311 ={(I 311/IA 311)/T}X 100 o IIII, 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; 5 et 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 En outre, IA 111 = 100, IA 200 = 42, IA 220 = 21 et IA 311 = 20; et T = (I 11/IA 111) + (I 200/IA 200) + (I 220/IA 220) +10 (I 31 l/IA 3 ll) La figure 8 est une photomicrographie montrant la structure cristalline de la surface de glissement 4 a de l'exemple 2 On peut voir, à la figure 8, un grand nombre de cristaux de Ni orientés ( 3 hhh) en forme de pyramide quadrangulaire Les cristaux de Ni orientés ( 3 hhh) sont des cristaux de Ni orientés { 311}, leurs plans ( 3 hhh) c'est-à-dire des plans { 311} étant orientés en direction de la surface de glissement 4 a. Le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} est égale à 64,8 W comme le montrent le tableau 5 et la figure 7. Ensuite, un essai de grippage a été effectué avec une pastille sur disque sous lubrification pour les exemples 1 à 6, afin de déterminer la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et la charge produisant le grippage, ce qui a donné les résultats montrés sur le tableau 6 et la figure 9 Les conditions d'essai sont les suivantes: le matériau du disque était de l'Al à 10 en poids d'alliage de Si; la vitesse de rotation du 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 6 La figure 9 est un diagramme obtenu à partir du Tableau 6, dans lequel les points ( 1) à ( 6) correspondent respectivement aux exemples 1 à 6 Ainsi qu'il ressort du tableau 6 et de la figure 9, dans chacun des exemples 1 à 4, dans lesquels le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} est situé dans une plage représentée par S > 40 Y, la surface de glissement 4 a a une retenue d'huile améliorée et une concordance initiale améliorée et, par conséquent, la charge produisant le grippage est sensiblement augmentée, par rapport aux exemples 5 et 6. La figure 10 est un diagramme basé sur le tableau , pour montrer la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et la dureté, pour les exemples 1 à 6 Sur la figure 10, les points ( 1) à ( 6) correspondent respectivement aux exemples 1 à 6 Il ressort de la figure 10 que la dureté de la structure de surface de glissement est réduite au fur et à mesure qu'augmente le taux S de cristaux de Ni orientés { 311}. Ensuite, un essai d'usure a ensuite été effectué pour les exemples 1 à 6, avec une pastille sur disque sous lubrification, afin de déterminer la relation entre le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} et les niveaux d'usure de la pastille et du disque (désignés Exemple Charge produisant le NO grippage (N) 1 650 2 680 3 650 4 550 250 6 200 il par degré d'usure), ce qui a donné les résultats montrés sur le tableau 7 et la figure 11 Les conditions d'essai sont les suivantes: le matériau du disque était de l'Al à 10 % en poids d'alliage de Si;5 la vitesse de rotation du disque était de 5 m/sec; la quantité d'huile amenée était de 0,3 ml/min; la charge était de 100 N; la distance de glissement était de 10 km; 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 Chacun des degrés d'usure mentionné est un décrément (mg) par surface de 1 cm 2 du disque et de la pastille. Tableau 7 Degré d'usure (mg) La figure 11 est un diagramme établi à partir du tableau 7, dans lequel les points ( 1) à ( 6) correspondent respectivement aux exemples 1 à 6. Ainsi qu'ils ressort du tableau 7 et de la figure 11, les pastilles des exemples 1 à 4, dans lesquels le taux S de cristaux de Ni orientés { 311} se situe dans une plage représentée par S > 40 Y, ont été légèrement plus usés que ne l'ont été les pastilles des exemples 5 Exemple 1) disque 0,4 pastille 0,8 Exemple 2) disque 0,4 pastille 0,8 Exemple 3) disque 0,4 pastille 0,8 Exemple 4) disque 0,35 pastille 0,9 Exemple 5) disque 0,3 pastille 1,1 Exemple 6) disque 0,3 pastille 1,2 et 6 Cependant, ils ont encore une résistance à l'usure relativement bonne, et ils présentent, en outre, la caractéristique que l'usure du disque, qui était un élément conjugué, était considérablement réduite. L'essai d'usure a été effectué sous lubrification mais, même dans le cas d'un essai d'usure sans lubrification, sensiblement la même tendance que dans le cas de l'essai sous lubrification a pu être observée Les conditions de l'essai d'usure sans lubrification étaient les suivantes: le matériau du disque était l'Al à 10 6 en poids d'alliage de Si; la vitesse de rotation du disque était de 0,5 m/sec; la charge était de 100 N; la distance de glissement était de 1 km; et la superficie d'une surface de glissement de la pastille provenant de la structure de surface de glissement était de 1 cm 2 Le degré d'usure était tel que ci-dessus décrit. 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 cette invention est applicable à une partie glissement de l'un quelconque des éléments suivants pour moteurs à combustion interne: pistons (jupes, cordons, 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, arrêt de ressort, clavettes, culbuteurs, cages extérieures de roulement à rouleaux, cages intérieures de roulement à rouleaux, tiges de soupapes, portées de soupape, poussoirs hydrauliques, arbres de rotor de pompe à eau, poulies, engrenages, parties d'arbre de transmission, disques d'embrayage, rondelles et boulons (surfaces portantes et parties filetées). 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 (hôO) bonne mouilla Fig 12 quadrangu plan à bilité et laire forte bonne condensa résistance tion à l'usure d'atomes (h OO) pyramide plan (hhh) dureté quadrangu plan très élevée laire serré excellente mouillabilité et bonne résistance à l'usure 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 ( 3 hhh), leurs plans ( 3 hhh) par indices de Miller étant orientés en direction de la surface de glissement, le taux S de cristaux de métal orientés ( 3 hhh) étant situé dans une plage représentée par S > 40 À. 2 Structure de surface de glissement selon la revendication 1, dans laquelle ledit cristal de métal est un cristal de Ni, ledit plan ( 3 hhh) étant un plan du type { 311} et les cristaux de Ni orientés { 311} ayant une forme de pyramide quadrangulaire sur ladite surface de glissement. 3 Structure de surface de glissement selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite structure a une dureté Hv située dans la plage représentée par Hv 4 Structure de surface de glissement selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'angle d'inclinaison B dudit plan ( 3 hhh) est réglé dans la plage suivante: O _ O B 150.