Brevet FR2762618A1 — publié le 19981030

PROCEDE POUR LE REVETEMENT AVEC DU NITRURE D'ALUMINIUM DU FUT DE CYLINDRE D'UN CARTER EN ALLIAGE A BASE D'ALUMINIUM. L'invention concerne un procédé pour le revêtement avec du nitrure d'aluminium du fût de cylindre d'un carter ou boîte de manivelle, ce carter étant constitué d'un alliage à base d'aluminium. En prenant en compte la réduction des masses statiques et des masses en mouvement, ainsi que l'économie de carburant qui est liée à ceci, ainsi que d'autres réductions de matières nuisibles, on utilise de plus en plus dans la construction des moteurs des alliages métalliques légers à base d'aluminium. Un exemple de réduction de masses en mouvement est formé par les pistons en aluminium qui sont connus depuis assez longtemps. Un exemple de réduction de masse statique est l'utilisation de carters en métaux légers en alliages à base d'aluminium, par exemple les matériaux eutectiques AI-Si préparés par coulée sous pression (par exemple A18Si-Cu). Actuellement on ne peut pas éviter de couler des boîtes de glissement, cependant ce mode opératoire n'est pas entièrement satisfaisant en tous ses points. Tout d'abord, il en résulte un poids plus élevé, d'autre part, la liaison entre la boîte de glissement et l'alliage d'aluminium présente une transition sensible par suite de la transmission de la chaleur dans les canaux du liquide de refroidissement. Comme défaut aggravant, il peut y avoir aussi un détachement de la boîte de glissement, ce qui peut produire la destruction du moteur. Par suite des problèmes cités, qui peuvent se produire en conséquence de l'utilisation de boîte de glissements coulées dans des carters en AI, on en déduit que l'utilisation de carters dépourvus de boîte de glissement serait fondamentalement digne d'effort, mais ceci ne peut pas être réalisé sans prendre des mesures supplémentaires pour les fûts de cylindres. Tout d'abord, l'aluminium comme matière de base, par exemple par comparaison avec un alliage à base de fer, offre une résistance d'appui plus faible pour le piston, ce qui a pour résultat une usure de grippage accrue, avec des effets négatifs correspondants sur la compression, la consommation d'huile et de carburant ainsi que la stabilité de longue durée générale de la machine, par exemple dans le domaine des coussinets de bielle. D'autre part, le couplage de matières carter en AI/ pistons en Al ne représente pas un système optimal par suite des propriétés tribologiques. Pour transposer une solution sans boîte de glissement avec des carters en AI, il est alors nécessaire de modifier la surface supérieure de glissoir, c'est-à-dire de former une couche ayant une composition chimique autre que la matière à base d'aluminium, et qui satisfasse aux exigences de solidité et qui présente aussi des valeurs favorables par suite de ses propriétés tribologiques. En outre, il faut aussi que la couche présente des valeurs favorables en ce qui concerne la conductibilité thermique. En tenant compte des propriétés nécessaires citées, il serait avantageux d'utiliser une matière céramique sans oxyde, de préférence le nitrure d'aluminium (AIN). AIN est une matière dure avec une conductibilité thermique comparativement élevée par rapport aux matières céramiques. En outre, on peut s'attendre à de bonnes propriétés tribologiques en ce qui concerne le couple couche de AIN/ pistons en AI. La structure d'une couche en céramique d'oxyde, par exemple l'oxyde d'aluminium A1203, est par contre moins favorable, par suite des propriétés correspondantes de la matière. On sait en outre que les couches de A1203 contenues, par exemple par anodisation, ne résistent pas comme on l'exige à une charge alternative mécanique plus élevée et conduisent à un écaillage. En particulier en ce qui concerne l'aptitude à supporter des charges mécaniques, l'utilisation de AIN nécessite des couches relativement épaisses, dans le domaine d'au moins plusieurs 10 x 10'6 m. En ce qui concerne la technologie de revêtement, et en tenant compte de l'application prévue, cela signifie l'utilisation d'un procédé de revêtement élaboré, de préférence un procédé par plasma en phase gazeuse. Des moyens élaborés d'application pour les procédés correspondants au plasma sont connus des procédés de projection au plasma dont la technique est établie. Il s'agit ici d'un procédé typique de couche épaisse, dans lequel la matière de revêtement qui se présente sous forme de poudre est fondue au moins partiellement dans un jet de plasma d'une décharge à l'arc avec courant élevé et est appliquée sur une pièce avec une énergie cinétique relativement élevée. L'application de couches de AIN est fondamentalement possible par cette projection conventionnelle au plasma. Cependant, pour l'application prévue ici, ce procédé parait peu approprié. Tout d'abord il n'y a pas d'ancrage optimal de la couche projetée avec la matière de base, d'autre part, on n'obtient pas une matière homogène. Ces deux facteurs sont défavorables en ce qui concerne une résistance de longue durée avec la charge mécanique alternative qui existe dans l'application prévue. En outre, il y a des problèmes dans la conduite du procédé, dans la mesure o des constructions spéciales de têtes de projection du plasma sont nécessaires pour traiter des alésages de cylindres. Le but de l'invention est donc d'obtenir un procédé permettant d'appliquer sur un alliage à base d'AI (par exemple AISiSCu, AISi9Cu, AISilOCu, comme alliages près de l'eutectique) d'un carter, dans le domaine du fûit de cylindre, une couche en nitrure d'aluminium (AIN), solidement ancrée à la matière de base et homogène dans sa structure. Avec le procédé il devrait être possible d'appliquer aussi la couche de nitrure d'aluminium sur des structures de voies de course prédéfinies, par exemple au moyen d'un procédé Hon. Un traitement ultérieur supplémentaire ne devrait pas être nécessaire. Le procédé devrait être utilisé non seulement pour la fabrication du moteur, mais aussi pour la réparation de dispositifs usagés. Ce but est atteint par un procédé pour le revêtement avec du nitrure d'aluminium du fût de cylindre (SC) d'un carter (CM) réalisé en alliage à base de Al, caractérisé en ce que le revêtement de nitrure d'aluminium est obtenu par nitruration de la surface de l'alliage à base de Al, et en ce que l'azote activé nécessaire pour cela est produit au moyen d'un procédé de plasma haute pression à partir d'azote moléculaire. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé pour le revêtement avec du nitrure d'aluminium du fûit de cylindre (SC) d'un carter (CM) réalisé en alliage à base de AI, caractérisé en ce que le revêtement de nitrure d'aluminium est obtenu par nitruration de la surface de l'alliage à base de AI, et en ce que l'azote activé nécessaire pour cela est produit au moyen d'un procédé de plasma haute pression à partir d'azote moléculaire. Des réalisations préférées ainsi que le carter lui-même recouvert de AIN forment aussi l'objet d'autres caractéristiques du présent procédé qui sont: - on dépose sur la couche superficielle de AIN une couche supplémentaire de AIN au moyen d'un procédé de plasma haute pression réactif, en utilisant de l'azote et des composés d'Al sous forme gazeuse ainsi que, le cas échéant, de l'hydrogène; - le composé d'AI sous forme gazeuse est le chlorure d'aluminium ou le triméthylaluminium; - avant la nitruration de la surface, on élimine la couche naturelle d'oxyde de l'alliage à base d'AI par un procédé gaz- solide réducteur avec participation d'hydrogène atomique, l'hydrogène atomique étant obtenu par un procédé de plasma haute pression à partir d'hydrogène moléculaire ou de composés sous forme gazeuse de l'hydrogène; - le plasma haute pression est obtenu par décharge Corona ou barrière, statique ou pulsée; - le plasma haute pression est obtenu par l'introduction de micro- ondes au moyen d'une antenne (AT); et - on superpose au champ de microondes un champ électrique statique ou alternatif dans une direction radiale perpendiculaire à l'axe de l'antenne. Enfin, la présente invention a également pour objet un carter en alliage à base d'aluminium, caractérisé en ce que son fat de cylindre présente un revêtement en nitrure d'aluminium. Conformément à l'invention, le revêtement avec AIN est réalisé au moyen d'une nitruration de la surface de l'alliage à base de Al. L'azote activé qui est nécessaire pour cela est produit à partir d'azote moléculaire au moyen d'un procédé 2 0 au plasma haute pression. L'invention est illustrée plus en détail au moyen des figures qui ont la présentation suivante: - la figure I représente un dispositif pour recouvrir le fit de cylindre d'un carter au moyen d'une décharge au plasma par micro-ondes; - la figure 2 représente un dispositif pour recouvrir le fût d'un cylindre d'un carter au moyen d'une décharge corona ou barrière. Tous les procédés décrits à titre d'exemple dans ce qui suit pour l'obtention de plasmas haute pression sont connus de l'homme de l'art et ils ne sont décrits ici que dans la mesure o cela est nécessaire pour la compréhension de l'invention. En vertu de la convention générale sur la physique des plasmas, le concept "plasma haute pression" doit s'entendre de telle sorte que l'état de plasma est réalisé avec des pressions de travail supérieures à environ I mbar et que le domaine des pressions est ouvert vers le haut. Par suite des conditions aux limites des techniques de fabrication, on doit s'efforcer d'avoir des pressions de travail dans le domaine atmosphérique, ce qui n'est cependant pas une limitation du procédé de l'invention. Pour recouvrir le fft de cylindre SC du carter CM, on produit un plasma haute pression, avec le dispositif représenté à la figure 1, dans l'alésage de cylindre A du carter CM, par introduction d'énergie avec micro-ondes. Le rayonnement des micro-ondes est produit par un magnétron qui n'est pas représenté ici, et il est introduit dans le carter CM au moyen d'un conducteur creux ou d'une conduite coaxiale. De façon avantageuse, l'introduction de micro-ondes MO est réalisée par l'intermédiaire d'une antenne de couplage AT pour les fréquences techniquement établies de 0,915 GHz et de 2,46 GHz. Le choix de ces fréquences s'oriente alors exclusivement sur la large disponibilité des composants MO correspondants. L'utilisation d'autres fréquences dans la bande des micro-ondes est fondamentalement aussi possible. En liaison avec un plus grand domaine de variation des paramètres du plasma, il y a en outre une superposition d'un champ électrique stationnaire ou pulsé avec direction préférentielle radiale des vecteurs du champ électrique. L'introduction du gaz de procédé est obtenue par une ouverture dans une flasque de couverture FC qui est disposée sur le côté frontal de l'alésage de cylindre A. Conformément à la disposition de la figure 2, on produit un plasma haute pression au moyen d'une décharge Corona ou barrière dans l'alésage de cylindre A du carter. Dans l'alésage de cylindre A on introduit une électrode 2 o centrale EC sur laquelle sont disposés des plateaux de projection P supplémentaires avec la disposition présentée. Les plateaux de projection sont de préférence formés avec des arrêtes qui se terminent de façon vive de telle sorte qu'il se produit des gradients de champ électrique élevés et donc une probabilité élevée d'émission de champ pour les électrons. Entre l'électrode centrale EC et le carter CM comme 2 5 contre-électrode, il apparait une tension électrique élevée. Les décharges peuvent être produites de façon stationnaire ou de façon pulsée, les décharges pulsées permettant un plus grand domaine de variation des paramètres de plasma. Même si les décharges au plasma décrites dans les figures I et 2 sont produites par des processus physiques différents, la technique de procédé nécessaire habituelle est cependant identique et on la décrit dans ce qui suit. En prenant en considération un bon ancrage de la couche de AIN dans la matière de base, on peut éliminer tout d'abord dans une première étape du procédé la couche supérieure oxydée naturelle de l'alliage à base d'aluminium qui est constituée essentiellement de A1203 et de SiO2. Dans ce cas on utilise pour cela 3 5 un procédé solide-gaz réducteur avec emploi d'hydrogène. Dans ce contexte, il faut tenir compte de ce qu'une réduction des oxydes concernés par l'hydrogène moléculaire n'est pas possible par suite de restrictions chimiques et thermodynamiques. L'hydrogène atomique est bien plus nécessaire pour cela, et celui-ci peut être produit à partir d'hydrogène moléculaire par des décharges de plasmas suffisamment riches en énergie. Les réactions concernées sont formulées de la façon suivante: 3H2 = 6H (réaction de plasma) (I) A1203 + 6H = 2AI + 3H20 (2) L'hydrogène moléculaire peut être alors utilisé sous forme d'un gaz pur ou sous forme de gaz de travail contenant de l'hydrogène, par exemple comme gaz de formation (azote avec des teneurs variables en hydrogène, habituellement environ de 70 à 95 % de N2, le reste étant H2). En éliminant la couche naturelle d'oxyde on augmente la réactivité de la matière de base concernant la nitruration, ou on rend ainsi possible en premier lieu une nitruration. Une nitruration de la matière de base signifie dans ce contexte une formation de mélanges stoechiométriques de AIN et Si3N4 à la surface de la matière de base. Cette nitruration en surface est obtenue parce que l'on passe - le cas échéant après élimination efficace de la couche naturelle d'oxyde - à de l'azote pur comme gaz de procédé. En supposant que l'énergie du plasma est assez élevée, on obtient de l'azote activé, ce terme signifiant un mélange d'atomes d'azote et de molécules d'azote particulièrement excitées électroniquement. 2N2 = 2N (3) N2 = (N2)* (4) L'azote activé présente une probabilité substantiellement plus élevée de diffusion dans la matière de base que dans le cas de l'azote moléculaire non activé. Ceci a pour résultat une réactivité plus élevée pour la formation de nitrure à la surface de la matière de base. L'épaisseur de la couche superficielle de AIN est de 5-20.106 m. 3 Dans les cas d'utilisation o l'épaisseur de la couche superficielle de nitrure n'est pas assez importante, on peut appliquer, dans un autre mode de réalisation, une couche pure de AIN sur la couche superficielle de nitrure. L'épaisseur de la couche pour la couche pure de AIN est d'environ 5- 10. 10'6. L'activation des composants réactifs s'effectue dans un procédé de plasma haute pression réactif. Pour cela on ajoute à l'azote pur du procédé de nitruration un gaz de procédé contenant de l'aluminium dans des concentrations qui vont au maximum jusqu'à la stoechiométrie en ce qui concerne la formation de AIN. Un exemple est l'utilisation de triméthylaluminium. On peut aussi utiliser le chlorure d'aluminium qui peut être obtenu en phase gazeuse par sublimation de la matière solide. Dans les deux cas, on peut augmenter la probabilité de la réaction par l'addition d'hydrogène. On formule les réactions correspondantes de la façon suivante: AI(CH3)3 + 1/2N2 + 3/2H2 = AIN (gaz) + CH4 (5) x AIN (gaz) = (AIN)x (couche) (6) et AICI3 (gaz) + 1/2N2 + 3/2H2 = (AIN) (gaz) + 3HCI (7) x AIN (gaz) = (AIN)x (couche) (8) S REVENDICATIONS 1. Procédé pour le revêtement avec du nitrure d'aluminium du fûit de cylindre (SC) d'un carter (CMN) réalisé en alliage à base de Al, caractérisé en ce que le revêtement de nitrure d'aluminium est obtenu par nitruration de la surface de l'alliage à base de AI, et en ce que l'azote activé nécessaire pour cela est produit au moyen d'un procédé de plasma haute pression à partir d'azote moléculaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dépose sur la couche superficielle de AIN une couche supplémentaire de AIN au moyen d'un procédé de plasma haute pression réactif, en utilisant de l'azote et des composés d'AI sous forme gazeuse ainsi que, le cas échéant, de l'hydrogène. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé d'AI sous forme gazeuse est le chlorure d'aluminium ou le triméthylaluminium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant la nitruration de la surface, on élimine la couche naturelle d'oxyde de l'alliage à base d'Al par un procédé gaz- solide réducteur avec participation d'hydrogène atomique, l'hydrogène atomique étant obtenu par un procédé de plasma haute pression à partir d'hydrogène moléculaire ou de composés sous forme gazeuse de l'hydrogène. 5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plasma haute pression est obtenu par décharge Corona ou barrière, statique ou pulsée. 6. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plasma haute pression est obtenu par l'introduction de microondes au moyen d'une antenne (AT). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on superpose au champ de micro-ondes un champ électrique statique ou alternatif dans une direction radiale perpendiculaire à l'axe de l'antenne. 8. Carter en alliage à base d'aluminium, caractérisé en ce que son fut de cylindre présente un revêtement en nitrure d'aluminium.