Brevet FR2775034A1 — publié le 19990820

Matériau multicouches, coussinet de moteur formé d'un tel matériau et procédé de fabrication. La présente invention concerne de manière générale un matériau multicouches pour la fabrication de coussinets de matériau ayant des propriétés multifonctionnelles améliorées. Les coussinets de moteur sont appelés à supporter des pressions de plus en plus élevées en raison des nouveaux modes de combustion développés dans les moteurs modernes (diesel, essence et gaz en injection directe), se traduisant par une brutalité de l'explosion induisant des pics de charge ( > 100 MPa). Le document JP-92 17747 A décrit un palier pour moteur qui est formé par fixation d'un alliage Al-Sn à un feuillard en acier au moyen d'un adhésif. L'utilisation d'un tel adhésif a pour inconvénient que le palier obtenu a une résistance mécanique limitée ( Le document GB-2 271 779 A décrit un palier lisse multicouches comprenant une couche de glissement en alliage Al-Sn de dureté HV 50-80 fixée sur un substrat en acier par une couche de liaison en alliage Al-Mn Cu-Mg ayant une dureté HV égale à 70-90% de celle de l'alliage de la couche de glissement. Si la dureté relativement fiable de la couche de liaison confère au palier lisse une bonne compliance du palier lors du montage, cette couche de liaison a tendance à se déformer en service, entraînant une réduction de la surface de contact. Le document WO 93 17154 décrit un procédé de fabrication d'un palier lisse qui consiste à former sur un alliage de palier une couche de plomb ou d'alliage de plomb, revêtir la couche de plomb ou d'alliage de plomb avec un métal de diffusion et à faire diffuser le métal dans la couche de plomb ou d'alliage de plomb au moyen d'un traitement thermique. Un tel traitement thermique constitue une opération longue et présente des risques de déformation des pièces. Le document WO 9627089 décrit un procédé de fabrication d'un palier lisse qui consiste à lier par laminage une feuille d'alliage Al-Sn à un substrat plus dur à base d'aluminium et à lier par laminage le composite obtenu à un support en acier. L'ensemble est ensuite traité thermiquement pour réticuler l'alliage Al-Sn. Le traitement thermique allonge la durée des opérations avec des risques de déformation des pièces. Enfin, le document EP 0 248 546 décrit un procédé de fabrication d'un palier qui comprend le colaminage de trois couches d'aluminium frittées sur une couche de support rigide suivi d'un traitement thermique. Comme indiqué précédemment, le traitement thermique allonge la durée des opérations avec des risques de déformation des pièces. Les coussinets de moteur les plus performants connus sont constitués d'un matériau multicouches plaqué sur un substrat en acier doux. Le matériau multicouches comprend trois couches successives, à savoir dans l'ordre en partant du substrat, une couche de compliance, une couche de liaison et anti-diffusion et une couche de glissement antifriction. La couche de compliance d'une épaisseur généralement de l'ordre de 200 Clam, est constituée d'un alliage de faible dureté (dureté HV La couche de liaison et anti-diffusion est en général une couche de nickel d'une épaisseur de l'ordre de 2 ,um qui a pour fonction d'assurer une bonne liaison entre la couche de compliance et la couche de glissement anti-friction et de constituer une barrière évitant la diffusion des éléments constitutifs des couches de compliance et de glissement antifriction de l'une à l'autre. Enfin, la couche de glissement anti-friction est une couche en un alliage relativement mou (dureté HV d'environ 60), par exemple un alliage Al-Sn 20 et d'épaisseur de l'ordre de 15 à 20 ,tam. Si la couche de compliance des coussinets ci-dessus présente la faible dureté requise pour pouvoir se déformer plastiquement lors du montage, cette faible dureté de la couche de compliance a pour inconvénient, lorsque le coussinet est en service, d'avoir tendance à s'affaisser et de réduire ainsi la surface de contact de la couche de glissement anti-friction ne laissant subsister que des contacts locaux provoquant une dégradation plus rapide de la couche de glissement antifriction. La présente invention a donc pour objet un matériau multicouches pour la fabrication de coussinets de moteur remédiant aux inconvénients de l'art antérieur. La présente invention a aussi pour objet de fournir un matériau multicouches pour la fabrication de coussinets de moteur comprenant une couche de compliance et une couche de glissement anti-friction, éventuellement liées entre elles par une couche de liaison anti-diffusion, dans lequel la couche de compliance possède initialement une première dureté faible pour permettre sa déformation plastique lors du montage du coussinet et une deuxième dureté, plus élevée, lorsque le coussinet est en service. L'invention a également pour objet de fournir un coussinet comprenant le matériau multicouches défini ci-dessus. L'invention a enfin pour objet de fournir un procédé de fabrication d'un tel matériau multicouches. On atteint les buts ci-dessus selon l'invention en fournissant un matériau multicouches comprenant sur un substrat métallique, une couche de compliance revêtue d'une couche de glissement anti-friction en un alliage ayant une dureté HV d'un niveau déterminé, la couche de compliance étant constituée d'un alliage ayant une dureté HV initiale d'un niveau inférieur à celui de la couche de glissement anti-friction et une dureté HV finale d'un niveau supérieur à celui de la couche de glissement anti-friction après que ledit matériau ait été chauffé à une température égale ou supérieure à une température prédéterminée pendant une durée déterminée. De préférence, la couche de glissement anti-friction a une dureté HV de l'ordre de 60 et la dureté HV initiale de la couche de compliance est inférieure à 60 et sa dureté HV finale est égale ou supérieure à 80. L'alliage de la couche de compliance est généralement un alliage à l'état de solution solide hypertrempée qui subit un durcissement structural lorsqu'il est chauffé à la température prédéterminée, par exemple une température de 120"C ou plus. Un alliage préféré pour la couche de compliance du matériau multicouches selon l'invention, est l'alliage Al - 5 Zn - 2 Mg - 2 Cu. Cet alliage à l'état de solution solide hyper-trempée a une dureté HV inférieure à 60, de l'ordre de 50, à la température ambiante. Lorsqu'il est porté à une température de 120"C, cet alliage subit un durcissement structural par précipitation de la phase Al Mg Zn2, puis au-delà de 135"C, le durcissement se poursuit par précipitation de zones de Guinier-Preston Al2Cu. Le durcissement HV de l'alliage atteint alors un niveau supérieur à 80, de l'ordre de 85-90, très supérieur à celui de la couche de glissement. L'épaisseur de la couche de compliance est généralement comprise entre 50 et 150 ,um. La couche de glissement anti-friction qui a généralement une épaisseur de l'ordre de 10 à 20 ,um, de préférence 10 à 15 ,um, peut être constituée de tout alliage classiquement utilisé pour de telles couches de glissement. Ces alliages ont généralement une dureté HV de 50 à 80, de préférence de l'ordre de 60 ou moins. Les alliages préférés pour la couche de glissement sont les alliages à base d'aluminium et d'étain tels que les alliages contenant (en % en poids) : 7-20% Sn et le complément étant Al. Ces alliages peuvent également contenir de préférence moins de 4% Si; 0,01-3% d'au moins un de Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr et B; 0,2 à 5% Cu; 0,1 à 3% Pb; 0,1 à 3% Sb; et 0,01 à 1% Ti. Un alliage particulièrement recommandé est l'alliage A1-20 Zn 0,2 à 5 Cu. De préférence, la couche de compliance et la couche de glissement sont liées par une couche de liaison et anti-diffusion, généralement en nickel ou aluminium, ayant une épaisseur de 1 à 5,um, de préférence de l'ordre de 2 pLm. Enfin, le substrat du matériau multicouches selon l'invention peut être tout matériau convenant pour l'application envisagée, et en particulier un substrat en acier, de préférence en acier doux, dans le cas de l'application à des coussinets de moteur. Ce substrat est généralement sous forme d'une feuille plane ou cintrée. Comme mentionné précédemment, une caractéristique importante de l'invention est la présence dans le matériau multicouches d'une couche de compliance présentant deux niveaux de dureté dépendant de l'histoire thermique du matériau, ce qui fait de ce matériau un matériau particulièrement approprié pour la fabrication de coussinets de moteur. En effet, comme le matériau de la couche de compliance présente après fabrication, et pour une température inférieure à une température déterminée, une dureté HV faible inférieure à celle de la couche de glissement, et généralement inférieure à 60, ce matériau est aisément déformable lors de son montage pour réaliser un coussinet de moteur. Comme, d'autre part, cette couche de compliance durcit à une dureté HV largement supérieure à celle de la couche de glissement lorsqu'il est chauffé à une température égale ou supérieure à la température déterminée, température généralement largement dépassée par l'huile d'un moteur en fonctionnement, elle assure un maintien sans déformation de la couche de glissement lorsque le coussinet est en service. Ainsi, la couche de compliance du matériau multicouches mis en oeuvre, par exemple comme coussinet de moteur, présente une dureté après une période de rodage suffisamment élevée pour assurer une excellente portance de la couche de glissement, évitant une déformation du coussinet et permettant de supporter des charges plus importantes. Le matériau multicouches selon l'invention peut être fabriqué classiquement par dépôt laser ou plasma, de préférence laser car cette dernière technique permet de mieux maîtriser les régimes thermiques. De manière générale, les couches sont de préférences déposées par dépôt plasma ou laser à partir de poudres du métal ou d'alliage préallié de la couche considérée, à une température initiale telle que les grains de poudre sont amenés à l'état liquide. Pendant les dépôt des couches nécessaires, la température des couches, et en particulier celle de la couche de compliance est maintenue à une valeur proche de la température de mise en solution des alliages. A la fin des dépôts, le matériau multicouches obtenu est soumis à un refroidissement rapide (hypertrempe) pour obtenir, en particulier dans la couche de compliance, une structure affinée à l'état de solution solide. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement Figure 1 - une représentation schématique d'une réalisation d'un matériau multicouches selon l'invention; et Figure 2 - un graphe illustrant les phases de dépôt par laser des différentes couches du matériau multicouches de la figure 1. En se référant à la figure 1, on a représenté une réalisation préférée d'un matériau multicouches selon l'invention, qui comprend sur un substrat 1, par exemple en acier doux, de forme plane ou semicylindrique suivant la gamme d'assemblage du coussinet de moteur, une couche de compliance 2 en alliage A1-5 Zn-2 Mg - 2 Cu d'épaisseur comprise entre 50 et 150 Clrn, une couche de liaison et anti-diffusion 3 en nickel d'épaisseur environ 2 Am et une couche de glissement anti-friction 4 en alliage Al-20 Sn - 0,2 à 5 Cu d'épaisseur 15 pLm ou moins. En se référant à la figure 2, on va maintenant décrire le procédé de dépôt par projection laser des différentes couches du matériau multicouches. Les grains de poudre de l'alliage Al-5 Zn - 2 Mg - 2 Cu de la couche de compliance sont initialement introduits dans le faisceau laser, dans une base coaxiale d'une torche laser pour y être liquéfiés, généralement à une température de 750"C ou plus, et sont déposés sur le substrat en acier doux à l'état liquide à une température de l'ordre de 540"C, à laquelle l'alliage demeure à l'état de solution solide. La durée de dépôt de la couche de compliance est de l'ordre de 10 secondes. Il est préférable de former la couche de compliance à partir d'une poudre d'alliage prémélangée pour éviter les pertes par vaporisation du zinc à la température de fusion des autres éléments métalliques. On introduit alors dans la torche laser de la poudre de nickel pour former la couche de liaison et d'anti-diffusion 3. Le dépôt de cette couche de liaison 3 d'une épaisseur d'environ 2 CLm dure environ 2 secondes. A la fin du dépôt de la couche de liaison, on introduit dans la torche laser la poudre d'alliage A1-20 Sn - 0,2 à 5 Cu pour former la couche de glissement 4. Le dépôt de la couche de glissement 4 dure environ 3 secondes pour obtenir une épaisseur de 15 pin environ. Les dépôts de la couche de liaison 3 et de la couche de glissement s'effectuent à une température de 540"C environ, maintenant la couche de compliance 2 à l'état de solution solide. Le dépôt des différentes couches peut être effectué en continu pour assurer une liaison métallurgique à gradient de caractéristiques entre les différentes couches et ainsi éviter des zones de discontinuité. A la fin du dépôt de la couche de glissement 4, le matériau multicouches est soumis à une hypertrempe pour ramener très rapidement, par exemple 1 seconde, la température du matériau multicouches de la température de 540"C à la température ambiante (20"C) par tout procédé d'hypertrempe classique. Ainsi, la couche de compliance 2 conserve sa structure de solution solide. A l'état hypertrempé, et pour des températures inférieures à 1200C, l'alliage de la couche de compliance 2 conserve sa structure de solution solide d'un niveau de dureté HV inférieur à 60, et donc inférieur à celui de la couche de glissement 4 qui est de l'ordre de 60. On peut donc, lors du montage du matériau multicouches selon l'invention, pour former un coussinet de moteur, aisément le conformer géométriquement pour obtenir l'alignement voulu. Ensuite, lors du fonctionnement du moteur, sous l'effet de la température de l'huile du moteur, l'alliage de la couche de compliance 2 subit, à partir de 1200C, un premier durcissement structural par précipitation de Al Mg Zn2, puis au-delà de 135"C, et un durcissement par précipitation de zones de Guinier-Preston Al2Cu permettant de maintenir le durcissement structural. Après durcissement, l'alliage de la couche de compliance 2 présente un niveau de dureté HV d'environ 80 (ou plus) supérieur à celui de la couche de glissement 4 et assure la portance de cette couche de glissement 4 vis-à-vis du palier antagoniste. En conséquence, après une période de rodage de durcissement, on obtient un coussinet de moteur résistant mieux aux déformations et permettant d'admettre des charges plus importantes. REVENDICATIONS 1. Matériau multicouches comprenant sur un substrat métallique (1), une couche de compliance (2) revêtue d'une couche de glissement anti-friction (4) en un alliage ayant une dureté HV d'un niveau déterminé, caractérisé en ce que la couche de compliance (2) est constituée d'un alliage ayant une dureté HV initiale d'un niveau inférieur à celui de la couche de glissement anti-friction (4) et une dureté HV finale d'un niveau supérieur à celui de la couche de glissement anti-friction (4) après que ledit matériau ait été chauffé à une température égale ou supérieure à une température prédéterminée pendant une durée déterminée. 2. Matérieu multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de glissement a une dureté HV de 60. 3. Matériau multicouches selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage de la couche de compliance (2) a une dureté HV initiale inférieure à 60 et une dureté HV finale égale ou supérieure à 80. 4. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alliage de la couche de compliance (2) est l'alliage Al - 5 Zn - 2 Mg - 2 Cu. 5. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la température prédéterminée est de 1200C. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de compliance (2) a une épaisseur de 50 à 150 pin. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de glissement anti-friction (4) est en alliage A1-20 Sn - 0,2 à 5 Cu. 8. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche de glissement antifriction (4) a une épaisseur de 10 à 20 pin, de préférence 10 à 15 pin. 9. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche de compliance (2) et la couche de glissement anti-friction (4) sont liées par une couche de liaison anti-diffusion (3). 10. Matériau multicouches selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de liaison anti-diffusion est une couche de nickel ou d'aluminium. 11. Matériau multicouches selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la couche de liaison anti-diffusion a une épaisseur de 1 à 5 pin, de préférence de 2 im environ. 12. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est en acier, de préférence en acier doux. 13. Matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a été chauffé à la température prédéterminée pour que la couche de compliance (2) ait une dureté HV supérieure à la couche de glissement anti-friction (4). 14. Coussinet de moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Procédé de fabrication d'un matériau multicouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt des couches de compliance (2), de glissement anti friction (4) et éventuellement de liaison anti-diffusion (3), à une température telle que la couche de compliance (2) soit à l'état de solution solide pendant toute la durée des dépôts, puis une hypertrempe des couches déposées pour maintenir la couche de compliance à l'état de solution solide. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les couches sont déposées par dépôt laser ou plasma.