Brevet FR2742686A1 — publié le 19970627

La présente invention concerne un segment de piston en métal en poudre qui comprend l'utilisation d'une poudre métallique avec un élément ayant une affinité élevée à l'azote, dans lequel le segment terminé est nitruré pour créer une couche de surface externe de nitrure métallique. Les segments de piston sont bien connus. Ils sont habituellement logés dans une rainure annulaire disposée autour d'une périphérie externe d'un piston. De son côté, le piston est alternativement mobile dans un cylindre. Un piston comprime des fluides tels que des gaz dans le cylindre. Dans un moteur à combustion interne, ces fluides forcent le piston loin du point d'allumage. La surface externe ou la face d'appui d'un segment de piston est soumise à des températures élevées, à la corrosion, et à une interaction frottante avec les parois du cylindre. Pour améliorer la longévité, la résistance à l'usure et à l'abrasion, il est connu d'utiliser une opération de nitruration conjointement avec d'autres méthodes. Par exemple, il est connu de former une couche nitrurée en phase gazeuse sur un segment de piston en fil d'acier comme base pour un revêtement de surface de nickel-bore. Il est également connu de former une couche nitrurée en phase gazeuse sur un tel segment de piston comme base pour un revêtement de surface de nitrure de titane. L'art antérieur illustre l'utilisation d'un traitement de nitruration à deux étapes, dans lequel un fil en acier utilisé pour former un segment de piston peut comprendre divers niveaux de chrome. Une couche plaquée, une couche pulvérisée ou une couche plaquée ionique peut être insérée entre une première couche nitrurée et une seconde couche nitrurée. Une opération de nitruration au plasma est également illustrée dans l'art antérieur qui met en oeuvre un processus consistant à revêtir une pièce du moteur avec une couche de base en chrome et puis à soumettre la couche en chrome à un plasma en phase gazeuse comprenant de l'azote pour former une couche de surface de nitrure de chrome sur la couche de base en chrome. 2 2742686 Ainsi, la combinaison des traitements de nitruration et des opérations de revêtement de surface est enseignée dans l'art antérieur comme le moyen requis pour offrir une résistance correcte à l'usure pour des segments de piston traditionnels en fil d'acier. Nombre de processus identiques ont également été utilisés avec des segments de piston en fonte grise. Des segments de piston sont connus qui sont fabriqués en métal en poudre. De tels pistons comprennent typiquement de faibles pourcentages de magnésium, de chrome ou de silicium pour offrir une résistance additionnelle au corps de segment de piston fritté. Il s'est révélé toutefois que de tels segments de piston n'ont pas toujours fonctionné de manière acceptable à cause des contraintes thermiques et mécaniques très élevées qui leur sont imposées. En outre, les segments de piston en métal en poudre ne sont typiquement pas aussi économiques à fabriquer en comparaison avec les segments en fil d'acier et en fonte grise. Les opérations de revêtement augmentent substantiellement le coût de la plupart des segments traditionnels. Enfin, l'art antérieur enseigne un procédé de fabrication de pièces en métal en poudre dans lequel l'une des poudres a été préalablement soumise à une opération de nitruration pour créer un nitrure de fer (Fe4N). Les gaz contenant de l'azote qui s'échappent de la portion en poudre de fer qui a subi le traitement sont apparemment absorbés par les particules de fer qui n'ont pas subi le traitement. Un segment de piston en métal en poudre selon la présente invention comprend une structure prédominante de perlite avec une dispersion de particules métalliques ayant une affinité élevée à l'azote. Une couche de surface dure nitrurée est formée à une périphérie externe du segment de piston. La couche de surface comprend une première région en fer nitrurée et une région adjacente ayant une dureté supérieure du fait d'une réaction entre les particules métalliques et l'azote. 3 2742686 Dans un mode de réalisation préféré, les particules métalliques comprennent un acier à teneur en chrome élevée ayant entre environ 13 et 18 % de chrome et qui fait partie du métal en poudre d'origine du segment de piston. Une composition globale préférée du segment ou anneau de piston comprend entre environ 1 et 50 % en poids de particules métalliques et encore préférablement environ 15 % en poids de telles particules, entre environ 0 et 1,5 % en poids de carbone, entre environ 0,00 et 2,0 % en poids de cuivre ou de nickel, entre 0 et 5,0 % en poids d'une cire inorganique telle que stéarate/cire LV6, et le reste en fer de manière prédominante. Un procédé de fabrication du segment de piston en métal en poudre consiste à mélanger une poudre ayant les particules métalliques désirées comme un des composants. Puis, la poudre mélangée est pressée en une forme générale du segment. La poudre est ensuite frittée pour former une structure comprenant une dispersion de particules métalliques. Le segment est usiné en une forme finale et ensuite nitruré pour former une couche de surface autour d'une périphérie externe du segment. L'utilisation d'un segment en métal en poudre comprenant des particules métalliques telles que de l'acier à teneur en chrome élevée ayant une affinité élevée à l'azote offre de nombreux avantages. D'abord, la surface résultante offre une résistance à l'usure et à l'abrasion substantiellement améliorée, et un coefficient de frottement réduit en comparaison avec les pièces en métal en poudre plus traditionnelles sans de telles particules métalliques ayant une affinité à l'azote. Comme indiqué plus haut, les segments de piston en métal en poudre n'ont pas toujours fonctionné de manière acceptable du fait des contraintes thermiques et mécaniques très élevées qui leur sont imposées. Le segment présente également un avantage inattendu du point du vue du coût par rapport aux segments plus traditionnels en fil d'acier et en fonte grise qui ont été soumis à de nombreuses opérations de revêtement. La porosité naturelle de la pièce 4 2742686 en métal en poudre offre une meilleure pénétration pendant l'opération de nitruration en comparaison avec les segments de piston plus traditionnels. En résultat, une pièce plus dure peut être économiquement fabriquée avec moins d'étape de traitement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée 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 coupe axiale d'un alésage de cylindre d'un moteur à combustion interne avec un piston incorporant un segment de piston selon la présente invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un segment de piston incorporant la présente invention; et - la figure 3 est une vue en coupe transversale du segment de piston de la figure 2, le long des lignes 3-3. Un assemblage 20 est illustré sur la figure 1 qui comprend un cylindre 22 avec un piston annulaire 24 alternativement mobile dans le cylindre. Le piston 24 comprend des rainures annulaires 26 disposées autour d'une surface périphérique externe. Un segment de piston ou élément d'étanchéité annulaire d'une seule pièce 28 est monté dans chaque rainure 26 pour réaliser un contact d'étanchéité entre le piston 24 et une surface périphérique interne 30 d'une paroi de cylindre 32. Dans l'orientation assemblée représentée, les extrémités circonférentielles 34 du segment de piston 28 sont adjacentes l'une de l'autre. Représenté plus en détail sur les figures 2 et 3, le segment de piston 28 est formé en métal en poudre. La poudre contient des composants qui sont connus dans la technique pour fournir les propriétés physiques de base du segment. Toutefois, le segment 28 comprend également une poudre métallique ayant au moins un élément avec une grande affinité 2742686 à l'azote. De telles poudres métalliques comprennent celles ayant de l'aluminium, du vanadium, du tungstène, du molybdène ou du chrome. En résultat, le segment de piston 28 peut être nitruré avec un coût additionnel faible pour offrir des avantages qui sont typiquement présents dans les segments de piston plus traditionnels formés en fonte grise ou en fil d'acier et ensuite nitrurés et munis d'un revêtement de surface additionnel. Dans un mode de réalisation préféré, le segment 28 comprend une poudre d'acier inoxydable à teneur en chrome élevée. Une composition métallurgique typique du segment 28 comprend 0,8 % en poids de carbone, 2,0 % en poids de cuivre ou de nickel, 2,0 % en poids de stéarate/cire LV6, 15,0 % en poids d'acier à teneur en chrome élevée et le reste principalement en fer. Le stéarate/cire LV6 est un exemple d'une cire inorganique utilisée pour permettre aux particules de se déplacer plus librement. Elle peut également fournir au moins une lubrification limitée à l'outillage. La teneur en carbone peut être dans la plage d'environ 0,00 et 1,5 % en poids, la teneur en cuivre ou en nickel peut être entre environ 0,00 et 0,5 % en poids, le stéarate/cire LV6 entre 0, 00 et 5,0 % en poids et la poudre d'acier à teneur en chrome élevée entre environ 1 et 50 % en poids. Si le pourcentage de poudre d'acier à teneur en chrome élevée est trop faible, le processus de nitruration décrit plus bas sera alors indûment compromis. Le coût devient un facteur si le pourcentage de poudre d'acier à teneur en chrome élevée est trop élevé, mais un pourcentage plus élevé facilitera plutôt qu'il gênera la nitruration. Il y a de nombreux aciers alliés qui peuvent être utilisés comme poudre d'acier à teneur en chrome élevée. Un groupe le plus préféré d'alliages est les aciers inoxydables martensitiques comprenant ceux dans les séries 400 telles que 420, 440A, B et C. Le pourcentage de chrome dans ce groupe est dans la plage entre environ 11 et 20 %. Un second groupe préféré d'alliages est les aciers inoxydables austénitiques 6 2742686 tels que ceux dans les séries 200 et 300 qui comprennent environ 18 % de chrome. Un autre groupe possible d'aciers alliés au chrome est un nitro-alliage G, 135 M (SAE 7190), N et EZ. Ce dernier groupe comprend les alliages avec à la fois de l'aluminium et du chrome pour attirer l'azote pendant une opération de nitruration. Toutefois, il y a typiquement entre seulement 1 et 2 % de chrome. Il peut être possible d'utiliser des aciers mi-durs faiblement alliés contenant du chrome dans les séries 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 et 9800. La teneur en chrome pour ces aciers est seulement entre 0,5 et 1,5 %. Les aciers de moulage à travail à chaud contenant 5 % de chrome tels que Hll, H12 et H13 peuvent être également utilisés. Une fois qu'un mélange de poudre acceptable est réalisé, qui comprend les propriétés physiques de base du segment de piston désiré plus une poudre métallique qui comprend au moins un élément ayant une grande affinité à l'azote, le segment est pressé en forme. Typiquement, la poudre mélangée est alimentée dans un moule et pressée à environ 40 tons par pouce carré (environ 628 MPa). Une plage acceptable de compression comprend des pressions entre environ 20 et 60 tons par pouce carré (environ 314 et 942 MPa). Après que la poudre mélangée ait été comprimée, elle est frittée entre 1800 et 2250 F (982 et 1232 C) pendant environ quatre heures. De préférence, la poudre mélangée pressée est frittée à environ 2100 F (1150 C). La métallurgie du segment change pendant le processus de frittage. La structure générale 36 du segment 28 est composée d'une microstructure typique de carbone de métal en poudre, principalement de la perlite avec des traces de carbure et une certaine porosité. Les particules 38 formées à partir de la poudre métallique sont également dispersées dans la structure 36. Certaines des particules 38 s'étendent à une périphérie externe 40 du segment 28. Une opération d'usinage place le segment 28 dans sa forme finale. 7 2742686 L'étape d'usinage peut consister à ébarber ou à finir le segment à sa forme finale. Enfin, le segment de piston 28 est nitruré en utilisant un processus de nitruration ionique, en bain de sel ou en phase gazeuse. Un processus de nitruration en phase gazeuse est généralement préféré car il est moins coûteux et affectera toutes les surfaces du segment 28. Lorsqu'on utilise un processus de nitruration en phase gazeuse, un gaz contenant de l'azote diffuse dans le segment de piston 28 pour créer une couche de surface dure 42 au moins à la périphérie externe 40. La couche 42 comprend des régions en fer nitrurées 42a ayant une dureté maximale d'environ 600 dans la dureté de diamant VICKERS ("HV") et des régions adjacentes 42b comprenant des particules nitrurées formées à partir des particules 38. Les régions 42b comprenant les particules ont une pénétration plus profonde et une dureté plus élevée du fait de la réaction entre l'azote gazeux et les éléments dans les particules 38 ayant une forte affinité à l'azote. Lorsqu'un acier à teneur en chrome élevée est utilisé, par exemple les régions 42b forment du nitrure de chrome ayant une dureté d'environ 1200 HV. L'épaisseur du revêtement est normalement d'environ 0,003 pouces (0,08 mm), mais elle peut varier entre 0,001 pouces (0,03 mm) et 0,005 pouces (0,13 mm). L'utilisation du métal en poudre comprenant des particules métalliques ayant au moins un élément avec une affinité élevée à l'azote, tel que le chrome, offre un certain nombre d'avantages. La surface résultante offre une résistance à l'usure et à l'abrasion substantiellement améliorée ainsi qu'un coefficient de frottement réduit en comparaison avec les pièces en métal en poudre traditionnelles sans de telles particules métalliques. Le chrome est particulièrement désiré du fait de son affinité naturelle à l'azote, de sa résistance à la corrosion, et de son coût. La présente invention présente des avantages économiques par rapport à l'utilisation des segments en fonte 8 2742686 ou en fil d'acier traditionnels. Additionnellement, toutefois, la porosité naturelle d'une pièce en métal en poudre en combinaison avec la présence des particules métalliques ayant une forte affinité à l'azote offrent une meilleure pénétration et une dureté accrue pendant l'opération de nitruration. En résultat, une pièce plus dure peut être réalisée à moindre coût et avec moins d'étapes de traitement. Un revêtement de surface séparé appliqué à la couche nitrurée n'est pas nécessaire. 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 de l'invention. 9 2742686 REVENDICATIONS 1. Segment de piston en métal en poudre (28), caractérisé en ce qu'il comprend: - une structure (36) en perlite de manière prédominante avec une dispersion de particules métalliques (38) comprenant au moins un élément avec une affinité élevée à l'azote; - une couche de surface dure nitrurée (42) formée à une périphérie externe (40) dudit segment, ladite couche de surface comprenant une première région nitrurée en fer (42a) et une région adjacente (42b) ayant une dureté supérieure formée par une réaction entre lesdites particules métalliques et l'azote. 2. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément comprend du chrome. 3. Segment de piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites particules métalliques (38) comprennent un acier à teneur en chrome élevée. 4. Segment de piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit segment (28) comprend entre 1 et % dudit acier à teneur en chrome élevée. 5. Segment de piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit acier à teneur en chrome comprend entre 11il et 20 % de chrome. 6. Segment de piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit segment comprend environ 15 % dudit acier à teneur en chrome élevée. 7. Segment de piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit segment comprend environ 0,8 % de carbone, environ 2,0 % de l'un du cuivre et du nickel, environ 2 % d'une cire inorganique et le reste principalement en fer. 8. Segment de piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit segment comprend entre environ 0 et 1,5 % de carbone, environ 0 et 2,0 % de l'un du cuivre et 2742686 du nickel, entre environ 0 et 5,0 % de stéarate/cire LV6, et le reste principalement en fer. 9. Procédé de fabrication d'un segment de piston en métal en poudre (28), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - mélanger une poudre ayant entre environ 0 et 1,5 % de carbone, entre environ 0 et 0,5 % de l'un du cuivre et du nickel, entre 1 et 50 % d'une poudre métallique ayant une affinité élevée à l'azote, et le reste principalement en fer; presser ladite poudre mélangée en une forme générale dudit segment; fritter ladite poudre mélangée après ladite étape de compression et former une structure (36) comprenant une dispersion de particules métalliques (38) constituant ladite poudre métallique; - usiner ledit segment en une forme finale; - nitrurer une périphérie externe (40) dudit segment pour créer une couche de surface dure (42) ayant une première région (42a) de nitrure de fer et une région adjacente (42b) de dureté supérieure du fait d'une réaction entre lesdites particules métalliques et l'azote. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite poudre métallique comprend un acier à teneur en chrome. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit acier à teneur en chrome comprend environ 15 % dudit segment. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit acier à teneur en chrome comprend entre environ 11 et 20 % de chrome. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite poudre comprend entre environ 0 et 5,0 % de stéarate/cire LV6. 14. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite compression met en oeuvre des pressions d'environ tons par pouce carré (628 MPa). il 2742686 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit frittage met en oeuvre une température d'environ 1150 C pendant environ quatre heures. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une opération d'usinage pour ébarber ledit segment à sa forme finale. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite nitruration met en oeuvre l'un des processus de nitruration ionique, en bain de sel, et en phase gazeuse. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite couche de surface dure (42) a une profondeur d'environ 0,08 mm.