Brevet FR2734881A1 — publié le 19961206

i 2734881 La présente invention concerne un anneau de piston, et plus particulièrement un anneau ayant une sous-couche appliquée sur une surface périphérique externe de l'anneau, une surface discontinue étant formée sur la sous-couche avec un revêtement frontal hybride nitruré métallique appliqué sur la surface discontinue. Il est connu de former une couche nitrurée en phase gazeuse sur un anneau de piston en tant que base pour un revêtement frontal nitruré métallique. Les revêtements frontaux complètent la couche dure nitrurée en phase gazeuse en apportant des avantages que ne possède pas la couche nitrurée en phase gazeuse, tels qu'une forte résistance à l'usure et une dureté extrêmement élevée. Toutefois, les avantages désirables offerts par les revêtements frontaux nitrurés métalliques ont des effets secondaires indésirables. Les revêtements sont particulièrement enclins à s'écailler et peuvent ne pas fournir une épaisseur de revêtement convenable s'ils n'ont pas des liens suffisamment forts avec le substrat sous- jacent. Même si un substrat convenable est prévu, il y a souvent toutefois une zone de surface insuffisante entre le revêtement et le substrat pour promouvoir les liaisons nécessaires. Le manque de porosité et la résistance très élevée résultent en des frottements accrus entre le revêtement frontal et un élément mécanique conjugué tel qu'une paroi de cylindre. Les revêtements frontaux nitrurés métalliques ne possèdent pas la capacité inhérente de rétention d'huile. Par conséquent, ils ne peuvent pas constituer une source critique de lubrification pendant les périodes o la lubrification de couche limite est nécessaire et pour augmenter la résistance à l'usure pendant que l'anneau de piston s'enfonce. Selon l'invention, un corps de base de l'anneau de piston comporte une sous-couche formée sur au moins une face périphérique externe du corps de base. La sous-couche est de préférence un dépôt électrolytique de chrome ou formée par nitruration en phase gazeuse. La sous-couche a une dureté 2 2734881 comprise entre 800 et 950 "HVN" (Nombre de Dureté Vickers) et une épaisseur minimale de 0,101 mm (0,004 pouces). Une surface plateau-réservoir est formée sur la sous-couche. D'abord, la sous-couche est rodée frontalement pour fournir un contact linéaire plus uniforme avec une paroi de cylindre conjuguée et pour fournir un profil de surface convexe optionnel. Puis, la sous-couche est rendue rugueuse par grenaillage pour créer des irrégularités de surface orientées aléatoirement qui comprennent une pluralité de crevasses qui serviront ultimement en tant que réservoirs pour lubrifiant. Enfin, la sous-couche est rodée à l'huile et optionnellement polie pour retirer les aspérités formées pendant le processus de grenaillage, créant ainsi un plateau. Un revêtement frontal nitruré métallique est appliqué à la surface plateau-réservoir, le revêtement frontal ayant un profil de surface convexe. Le revêtement frontal nitruré métallique a une dureté comprise entre 2000 et 3000 HVN et une épaisseur comprise entre 1 et 50 microns. De préférence, le revêtement frontal possède une épaisseur comprise entre approximativement 4 et 10 microns et une dureté d'environ 2600 HVN. Les nitrures métalliques préférés comprennent le nitrure de chrome ou le nitrure de titane. Le plateau lisse travaille en combinaison avec la zone de surface additionnelle disponible à partir des réservoirs pour fournir un substrat optimal pour lier le nitrure métallique à la sous-couche. Toutefois, l'apport du revêtement frontal n'élimine pas l'existence des réservoirs. Les réservoirs ont la capacité additionnelle importante de stocker de l'huile de lubrification pendant le fonctionnement du moteur. Les réservoirs travaillent en combinaison avec le profil de surface convexe pour fournir une fine couche lubrifiante qui empêche l'usure indésirable entre l'anneau de piston et une paroi correspondante de cylindre pendant les périodes de lubrification de couche limite. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci 3 2734881 apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un anneau de piston conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'anneau de piston de la figure 1, suivant la ligne 2-2. - la figure 3 est une vue en coupe transversale agrandie d'une portion de l'anneau de piston encerclé en 3 de la figure 2; et - la figure 4 est un dessin agrandi d'une sous-couche formée conformément à la présente invention. Suivant l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, l'anneau de piston 20 a une surface externe 22 qui comprend une face frontale périphérique externe 24, une surface supérieure axiale 26 et une surface axiale 28. En utilisation, la face périphérique externe 24 vient en contact avec une paroi interne d'un cylindre (non représenté). Comme illustré sur la figure 2, un anneau de piston 20 comprend un corps de base 30 qui peut être formé en fonte, en fer modulaire ou en alliage d'acier. Un alliage d'acier préféré est un acier inoxydable martensitique ayant entre 10 et 20 % de chrome en poids et entre 0,20 et 0,90 % de carbone en poids. Une sous-couche 32 est formée sur la surface externe 22 et au moins appliquée sur la face périphérique externe 24. La sous-couche 32 possède une dureté préférée comprise entre 800 et 950 HVN et une profondeur ou épaisseur d'enveloppe préférée minimale de 0,101 mm (0,004 pouces). De préférence, la sous-couche 32 comprend du chrome déposé électrolitiquement d'une manière typique, comme cela est bien connu par l'homme du métier. En variante, une sous- couche nitrurée en phase gazeuse peut être appliquée. Un procédé préféré pour former la sous-couche 32 en utilisant la nitruration en phase gazeuse consiste à placer le corps 30 4 2734881 dans un four à atmosphère d'azote ammoniacal fonctionnant entre 499 et 566 C (930 et 1 050 F). Une fois que la sous-couche 32 est formée, la sous- couche est de préférence rodée en surface pour fournir une ligne plus uniforme de contact avec une paroi de cylindre conjuguée (non représentée) et pour fournir un profil de surface convexe optionnel, comme expliqué plus en détail ci- dessous. Le rodage de surface est un procédé consistant à utiliser un rodoir métallique que l'on passe sur les surfaces pertinentes. Le rodage de surface implique toutefois typiquement la formation de stries ou canaux verticaux entre les surfaces 26 et 28 qui permettent à l'huile de s'échapper de l'anneau de piston 20. Une fois que le rodage de surface est achevé, une surface plateau-réservoir 34 est formée sur la sous-couche. Comme illustré sur la figure 3, la surface plateau-réservoir 34 comprend un plateau supérieur généralement lisse 36 et une pluralité de crevasses orientées aléatoirement 38 s'étendant sur diverses profondeurs dans la sous-couche 32 à partir du plateau 36. Un moyen préféré pour former la surface plateau- réservoir 34 consiste à rendre rugueuse la sous-couche 32 pour créer des irrégularités de surface orientées aléatoirement qui comprennent des réservoirs 38. Typiquement, la sous-couche 32 est rendue rugueuse par grenaillage en utilisant 80 à 120 granulés d'oxyde d'aluminium pour former une surface pochée. Un exemple réel d'une telle surface est illustré sur la figure 4 qui montre une sous-couche 32 grossie 100 fois après grenaillage. Contrairement aux stries verticales produites par le rodage de surface, les réservoirs 38 sont fermés pour éviter la dissipation d'huile de lubrification à partir de l'anneau 20 en la piégeant. Il n'y a pas de route libre d'évacuation pour l'huile. Le grenaillage est commandé de façon que les réservoirs 38 ne s'étendent pas à travers toute l'épaisseur d'enveloppe de la sous-couche 32. Autrement, la sous-couche pourrait être indûment affaiblie ce qui pourrait résulter en un écaillage 2734881 ou effritement indésirable. La profondeur doit être suffisante toutefois pour retirer les canaux verticaux formés pendant le rodage de surface. Le reste d'un tel canal 39 est montré sur la figure 4. Des profondeurs de réservoir aussi faibles que 2 à 5 microns se sont révélées être suffisantes pour fournir une lubrification de couche limite et une résistance à l'usure accrue. Après grenaillage, la sous-couche 32 est rodée à l'huile pour retirer les aspérités formées pendant le processus de grenaillage, créant ainsi le plateau 36. Pour que la sous-couche 32 fournisse un substrat optimal, le plateau 36 doit être extrêmement lisse. Par conséquent, une étape de polissage additionnelle peut être nécessaire. Néanmoins, la sous-couche 32 est de préférence maintenue à sa dureté d'origine après grenaillage et rodage à l'huile ou polissage. Une fois que la surface plateau-réservoir 34 est formée dans la sous-couche 32, un revêtement frontal nitruré métallique 40 est appliqué à la surface 34. Le revêtement 40 a une dureté préférée comprise entre 2000 et 3000 HVN et encore préférentiellement environ 2600 HVN. Le revêtement 40 comprend également une épaisseur ou profondeur d'enveloppe comprise entre 1 et 50 microns et plus particulièrement une épaisseur approximative comprise entre 4 et 10 microns. Le revêtement de surface 40 ne devrait avoir qu'une faible ou aucune porosité, un coefficient de frottement bas, une dureté élevée et une forte résistance à l'usure. Alors que les revêtements de surface nitrurés métalliques fournissent de nombreux avantages, ils sont particulièrement enclins à s'écailler. La sous-couche 32 agit en tant que substrat très dur pour éviter l'écaillage du revêtement 40. Un plateau lisse 36 en combinaison avec la zone de surface additionnelle disponible à partir des réservoirs 38 fournit un substrat optimal pour lier le revêtement de surface 40 à la sous-couche 32 sans interférer avec le fonctionnement de l'anneau de piston. 6 2734881 Toutefois, comme illustré sur la figure 3, l'ajout du revêtement de surface 40 n'élimine pas l'existence des réservoirs 38. Les réservoirs 38 ont la capacité importante d'emmagasiner de l'huile de lubrification pendant le fonctionnement du moteur. Les réservoirs fournissent une source critique d'huile pendant les périodes o la lubrification de couche limite est nécessaire, et augmentent la résistance à l'usure à l'enfoncement de l'anneau de piston. Un revêtement de surface préféré 40 comprend du nitrure de titane ou du nitrure de chrome. Chacun de ces nitrures métalliques possède une force de liaison élevée avec la sous- couche 32 qui résulte du procédé de formation du revêtement, décrit cidessous. En particulier, un revêtement de surface au nitrure de chrome possède une contrainte interne faible, qui résiste à l'écaillage et permet une épaisseur de revêtement supérieure. En outre, le nitrure de chrome a une excellente compatibilité lorsqu'il est lié à la sous-couche 32 formée en chrome électrolytique. En général, le nitrure métallique est formé en utilisant une source métallique telle que le chrome ou le titane que l'on fait évaporer pour produire une vapeur métallique dans une zone entre la source métallique et la sous-couche 32. Puis, un gaz contenant de l'azote est introduit dans la zone. Le gaz réagit avec la vapeur métallique pour former un nitrure métallique avec des liaisons métallurgiquement étroites. Le nitrure métallique est alors déposé sur la surface plateau-réservoir 34 pour créer le revêtement de surface en nitrure métallique 40. Le revêtement de surface en nitrure métallique 40 n'a aucune porosité et aucun des espaces intersticiels présents lorsqu'on utilise un revêtement de surface appliqué au plasma. Plus spécifiquement, le revêtement de surface 40 peut être appliqué en utilisant un processus d'électroplaquage appelé "Dépôt Physique de Vapeur à l'Arc". Le corps 30, avec la sous-couche 32 et sa surface plateau-réservoir 34, est 7 2734881 placé dans un four à vide. Une polarité est établie entre un métal de plaquage tel que chrome ou titane et le corps de base 30. Le corps de base 30 agit comme une cathode chargée négativement et le métal de plaquage agit comme une anode chargée positivement. Le métal de plaquage vaporisé interagit avec un gaz réactif contenant de l'azote pour former un nitrure métallique qui est alors déposé sur la surface plateau-réservoir 34. Le chrome et le titane se sont révélés être particulièrement de bons métaux de plaquage car leur utilisation permet d'avoir un revêtement de nitrure métallique d'épaisseur souhaitée. En pratique, environ 10 microns de revêtement de surface 36 peut être produit en une heure. Le dépôt physique utilisant cette approche nécessite environ 100 ampères avec une différence de potentiel d'environ 20 volts. La température du corps de base 26 ne devrait pas dépasser 800 F. Une fois que le revêtement de surface 40 est appliqué sur la surface plateau-réservoir 34, une surface externe résultante 42 possède de préférence un profil de surface convexe ayant entre 0,013 et 0,03 mm (0, 0005 et 0,001 pouces) tel que mesuré entre un sommet 44 de la surface et un point de transition supérieur ou inférieur 46 défini entre la surface externe 42 et les surfaces axiales correspondantes 26 et 28. Un profil de surface convexe favorise le stockage d'huile de lubrification dans les réservoirs 38 et l'usage sélectif de l'huile pour créer une couche fine lubrifiante entre l'anneau 20 et une paroi correspondante de cylindre. La couche lubrifiante empêche toute usure indésirable entre l'anneau 20 et une paroi de cylindre correspondante pendant les périodes de lubrification de couche limite et augmente la résistance à l'enfoncement de l'anneau de piston. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre des revendications qui suivent. 8 2734881 REVENDICATIONS 1. Anneau de piston (20), caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps de base généralement annulaire (30) ayant une face périphérique externe (24), une surface supérieure (26) et une surface inférieure (28); - une sous-couche (32) appliquée à ladite face périphérique, ladite sous- couche ayant une surface pochée (34) avec des réservoirs orientés aléatoirement (38) qui sont fermés entre lesdites surface supérieure et surface inférieure; et - un revêtement de surface nitruré métallique (40) appliqué à ladite surface pochée, une surface périphérique externe (42) dudit revêtement de surface métallique ayant un profil de surface convexe. 2. Anneau de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface pochée (34) est formée par grenaillage suivi d'un rodage à l'huile. 3. Anneau de piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface pochée (34) est formée par rodage de surface avant ledit grenaillage. 4. Anneau de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface pochée (34) a une épaisseur d'au moins 2 microns. 5. Anneau de piston selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit grenaillage nécessite un matériau de 80 à 120 granulés. 6. Anneau de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite sous-couche (32) possède une dureté comprise entre 800 et 950 HVN et une épaisseur minimale de 0,101 mm. 7. Anneau de piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite sous-couche (32) comprend un dépôt de chrome électrolytique ou un dépôt nitruré en phase gazeuse. 9 2734881 8. Anneau de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement de surface en nitrure métallique (40) possède une dureté comprise entre 2000 et 3000 HVN et une épaisseur comprise entre 1 et 50 microns. 9. Anneau de piston selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit revêtement de surface métallique est en nitrure de chrome ou en nitrure de titane. 10. Anneau de piston selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit revêtement de surface en nitrure métallique (40) est appliqué par dépôt physique de vapeur. 11. Anneau de piston (20), caractérisé en ce qu'il comprend: - un corps de base généralement annulaire (30) ayant une face périphérique externe (24); - une sous-couche (32) constituée d'un dépôt de chrome électrolytique ou d'un dépôt nitruré en phase gazeuse appliqué à ladite face périphérique (24), ladite sous-couche ayant une surface plateau-réservoir (34) formée par grenaillage suivi de rodage à l'huile, ladite sous-couche ayant une dureté comprise entre 800 et 950 HVN et une épaisseur minimale de 0,101 mm; - un revêtement de surface nitruré métallique (40) en nitrure de chrome ou nitrure de titane appliqué à ladite surface plateau-réservoir (34), une surface périphérique externe (42) dudit revêtement de surface métallique ayant un profil de surface convexe compris entre 0,013 et 0,03 mm, ledit revêtement de surface en nitrure métallique ayant une dureté comprise entre 2000 et 3000 HVN et une épaisseur comprise entre 1 et 50 microns. 12. Anneau de piston selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite surface plateau-réservoir (34) est formée par rodage de surface avant ledit grenaillage. 13. Anneau de piston selon la revendication 8 ou 11, caractérisé en ce que ladite épaisseur dudit revêtement de surface en nitrure métallique (40) est comprise entre environ 4 et 10 microns. 2734881 14. Anneau de piston selon la revendication 8 ou 11, caractérisé en ce que ledit revêtement de surface en nitrure métallique possède une dureté d'environ 2600 HVN. 15. Anneau de piston selon la revendication 5 ou 11, caractérisé en ce qu'on utilise 80 à 120 granulés d'oxyde d'aluminium pour ledit grenaillage. 16. Procédé pour former un anneau de piston revêtu (20), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - (A) former un corps de base métallique d'anneau de piston (30) avec une face périphérique externe (24); - (B) appliquer une sous-couche (32) constituée d'un dépôt de chrome électrolytique ou d'un dépôt nitruré en phase gazeuse sur ladite face périphérique externe; - (C) grenailler ladite sous- couche; - (D) roder à l'huile ou polir ladite sous-couche après ladite étape de grenaillage; et - (E) plaquer un revêtement de surface en nitrure métallique (40) utilisant un nitrure de chrome ou un nitrure de titane sur ladite sous-couche (32). 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à roder en surface ladite sous-couche (32) avant ledit grenaillage. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à former un profil de surfaxe convexe sur une surface périphérique externe (42) dudit revêtement de surface (40). 19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite souscouche (32) possède une dureté comprise entre 800 et 950 HVN et une épaisseur minimale de 0,101 mm.