Brevet FR2875564A1 — publié le 20060324

Description La présente invention concerne des couches de glissement pour paliers lisses, notamment pour palier de vilebrequin et de bielle, à base d'un alliage constitué de plusieurs phases qui forment une matrice et une phase disperse, la phase disperse n'ayant qu'une faible solubilité dans le métal de la matrice et la matrice métallique étant formée par un alliage d'aluminium et la phase disperse par du bismuth ou un alliage de bismuth à point de fusion élevé. L'invention concerne également des paliers lisses avec o des pièces de fabrication de base en acier, une couche en métal antifriction et une fine couche d'un agent d'adhérence. Le procédé traditionnel de fabrication des paliers du type précédemment cité consiste à revêtir un matériau de base (par exemple de l'acier ou un métal léger) d'un 15 métal antifriction ou d'une coquille de coussinet. Avec le développement des nouvelles générations de moteurs de véhicule automobile, le niveau d'exigence relatif aux matériaux utilisés dans le groupe d'entraînement est de plus en plus élevé. Pour les moteurs de grande puissance, destinés aux véhicules utilitaires ou aux véhicules légers, les pressions de pointe doivent atteindre voire dépasser à l'avenir 250 bars dans la chambre de combustion afin d'améliorer l'efficacité, la performance ainsi que la qualité des gaz d'échappement. Les paliers disponibles pour les groupes d'entraînement, notamment les paliers de 25 vilebrequin ou de bielle, ne sont plus à la hauteur des sollicitations mécaniques et thermiques élevées en résultant. Alors que l'on utilisait souvent auparavant des alliages à base de cuivre contenant du plomb comme matériau pour les paliers lisses, ceux-ci sont de plus en plus remplacés de nos jours par des alliages sans plomb pour des raisons de protection de l'environnement. Les paliers lisses présentent sur la surface une couche de glissement fabriquée avec un matériau relativement tendre. Celui-ci est par exemple formé d'alliages de plomb 35 ou d'alliages AI/Sn. Le document DE 198 01 074 Al expose par exemple un matériau composite en couche servant d'élément de glissement pour les coquilles de coussinet ou les coussinets dans lequel les matériaux utilisés font partie du système d'alliage cuivre/zinc/aluminium ou cuivre/aluminium. La couche de glissement est appliquée sur le matériau de support, préchauffé à une température avoisinant 1 000 C, selon un procédé en continu de coulée en bande. Le document DE 198 24 308 Cl présente une coquille de palier lisse avec une couche de glissement appliquée par vaporisation par bombardement électronique, ladite o couche de glissement étant réalisée en un matériau composite composé d'une phase matricielle, de préférence d'aluminium, et d'une phase dispersée, de préférence d'étain, de plomb, de bismuth et/ou d'antimoine. On connaît également les alliages d'AI/Cu ayant une teneur en étain allant de 17 à 15 35 % en poids pour les paliers lisses à niveau d'exigence technique élevé. Le document WO 9100375 décrit un palier dont la couche de glissement se compose d'une masse primaire, notamment en aluminium, et d'une phase dispersée à l'intérieur, notamment à base d'étain. La couche est appliquée dans le cadre d'un procédé de pulvérisation cathodique. Les paliers lisses connus et leurs couches de glissement ne présentent ni la stabilité exigée sur le long terme ni la sécurité contre l'abrasion nécessaire pour les conditions de friction sèche, permettant de répondre au niveau d'exigence élevé, notamment lorsque pression et température élevées sont combinées. L'interruption partielle momentanée du refroidissement par l'huile sur la surface de glissement n'est pas un état de fonctionnement rare, en particulier avec les exigences élevées des moteurs modernes, de sorte que le niveau d'exigence pour la capacité de glissement à sec est élevé. L'objectif de l'invention est donc de mettre au point un revêtement de palier ou une couche de glissement offrant une grande stabilité à long terme, notamment en matière de contraintes de pression et de température accrues, ainsi qu'une tendance réduite à l'abrasion. Cet objectif est atteint conformément à l'invention du fait que le bismuth ou l'alliage de bismuth formant la phase dispersée est réparti si finement qu'il est amorphe aux rayons X ou que sa phase primaire n'est pas détectable au microscope optique. La couche antifriction déposée est constituée d'un alliage, avec une structure composée de plusieurs phases métalliques, une phase formant une matrice métallique et une autre phase formant une phase métallique dispersée dans celle-ci. La phase métallique dispersée ne présente qu'une solubilité limitée dans le métal de la phase matricielle. Dans une configuration préférée de l'invention, la matrice métallique est formée par un alliage d'aluminium et la phase disperse par du bismuth ou un alliage de bismuth à point de fusion élevé. La combinaison de matériaux permet d'obtenir, en raison de la faible solubilité du bismuth dans l'aluminium, d'une part la formation d'une phase dispersée très fine et d'autre part l'obtention d'une stabilité thermique de la phase dispersée, et ainsi de l'ensemble de la couche antifriction, sensiblement accrue par rapport aux couches antifriction comparables connues du fait du point de fusion relativement élevé du bismuth ou de ses alliages. La lacune de miscibilité dans le système AI/Bi permet de limiter la tendance à la recristallisation sous l'effet de la température du bismuth dispersé. Le point de fusion du bismuth est, à 271 C, sensiblement plus élevé que celui de l'étain, qui s'élève à 232 C, lequel étain est utilisé comme composant d'alliage dans des 25 paliers lisses ou des couches de glissement comparables. De manière connue, la plupart des alliages de bismuth se caractérisent par un point de fusion relativement bas, aussi bien inférieur à celui du bismuth qu'à ceux des autres éléments d'alliage. C'est la raison pour laquelle le bismuth est couramment utilisé comme composé d'alliage pour en abaisser le point de fusion. Un alliage au bismuth composé de bismuth, de plomb, d'indium, d'étain et de cadmium a un point de fusion inférieur à 50 C. L'alliage de Wood (bismuth 50%, plomb, étain et cadmium) ayant un point de fusion de 71 C ou l'alliage de Lichtenberg (50% de bismuth respectivement avec des proportions variables d'étain et de plomb) sont d'autres exemples d'alliages de bismuth. Les alliages de bismuth conformes à l'invention présentent en revanche un point de fusion bien plus élevé. On utilise de préférence des alliages de bismuth dont le point de fusion est supérieur à 250 C. En font partie les alliages de bismuth comprenant de l'étain ou de l'antimoine dans une quantité comprise entre 3 et 6 % en poids, par exemple du bismuth avec 4 % d'étain (point de fusion: 316 C) ou du bismuth avec 5 % d'antimoine (point de fusion: 296 C). Les faibles solubilités des deux composés métalliques principaux que sont l'aluminium et le bismuth constituent un avantage majeur de la combinaison conforme à o l'invention formée de la matrice métallique à base d'un alliage d'aluminium et d'une phase disperse de bismuth ou d'un alliage de bismuth à point de fusion élevé. Alors que dans les alliages eutectiques, une masse fondue forme simultanément deux phases cristallines à la température eutectique, dans le cas d'un monotectique la masse fondue homogène se sépare à une température (monotectique) en un corps solide et une masse fondue de composition toute à fait différente de celle de la masse fondue de départ. Cette deuxième masse fondue reste la plupart du temps liquide largement en dessous de cette température. Les alliages monotectiques appartiennent à la classe des alliages non miscibles, c'est-à-dire, qu'à l'état fondu il y a une plage de compositions dans laquelle les composés en présence ne sont pas miscibles. Si la couche antifriction conforme à l'invention est formée ou déposée à températures élevées et refroidie très rapidement, il se forme alors une structure très fine avec une phase disperse définie à base de bismuth ou d'alliage de bismuth. Il est préférable conformément à l'invention que la teneur en bismuth dans l'alliage ou dans la couche antifriction soit inférieure à 50 % en poids, et qu'elle se situe de préférence dans la plage comprise entre 10 et 40 % en poids. De manière particulièrement privilégiée, la couche de glissement ou la couche antifriction présente de 10 à 35 % en poids de bismuth, de 0,1 à 5 % en poids de cuivre, le reste étant constitué pour l'essentiel d'aluminium. D'autres éléments tels que le cuivre ou le manganèse peuvent être ajoutés à l'alliage. Leur teneur est de préférence inférieure à 1 % en poids. Lors de la formation de la phase disperse, la taille des particules des dispersoïdes est importante. Les dispersoïdes doivent d'une part présenter une taille donnée pour pouvoir exercer leur effet mécanique dans les systèmes de glissement, mais ils ne doivent par ailleurs pas être trop grands pour permettre la formation d'un matériau homogène. La taille de particule favorable des dispersoïdes est comprise dans la plage allant de 50 nm à 1 pm. De préférence, la majeure partie du bismuth ou de l'alliage de bismuth est répartie si finement qu'aucune phase primaire n'est visible au microscope optique. De manière particulièrement préférée, ces phases sont également amorphes aux rayons X, c'est-à-dire que leur présence n'est plus démontrable par diffraction aux rayons X. Suivant le procédé de fabrication de la couche de glissement, il se forme des structures très différentes qui se différencient notamment par la répartition du bismuth dans la matrice. Le procédé de fusion permet par exemple de former des dépôts de bismuth ou d'alliage de bismuth très grossiers tandis qu'ils sont très fins par dépôts chimiques en phase vapeur. Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, la matrice métallique de la couche de glissement est un alliage d'aluminium avec du cuivre dans une quantité comprise entre 0,1 et 5 % en poids, notamment de préférence inférieure ou égale à 3 % en poids. La teneur en autres composés d'alliage à point de fusion bas est maintenue à un faible niveau. Il est préférable que la teneur en étain et/ou la teneur en plomb de l'alliage d'aluminium soient inférieures à 0,1 % en poids. Conformément à l'invention, la couche de glissement forme la couche métallique supérieure d'un palier lisse. Le palier lisse se compose généralement de plusieurs couches de matériau. Il est préférable de former le palier lisse par une pièce principale en acier, une couche d'un métal antifriction, d'une fine couche d'agent d'adhérence et d'une couche de glissement conforme à l'invention. La pièce principale peut être une coquille de coussinet disposée dans le palier ou formée par le palier lui-même, le métal antifriction étant dans ce cas appliqué directement sur la surface du palier. Comme métaux antifriction adaptés on citera notamment les alliages de Cu/Ni, de Cu/Sn/Bi ou les bronzes. La couche de métal antifriction présente de préférence une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm. La couche d'adhérence est de préférence formée par du nickel ou par un alliage de nickel d'une épaisseur comprise entre 0,2 et 5 pm. La couche de glissement est formée par un alliage d'aluminium comprenant entre 10 et 40 % en poids de bismuth. Un autre aspect de l'invention concerne des procédés de fabrication de la couche de palier lisse. Les procédés appropriés sont les dépôts chimiques en phase vapeur dans lesquels le matériau est déposé sous la forme d'atomes ou de petits amas atomiques (clusters). Les procédés PVD ou CVD en font partie. Dans le cas du dépôt en phase vapeur, la couche de matériau est pour l'essentiel o formée sans passer par une phase de fusion. Il est ainsi possible d'obtenir une structure extrêmement homogène avec des dépôts très fins de phases disperses dans le matériau composite conforme à l'invention. Le procédé de pulvérisation cathodique fait également partie des procédés de fabrication de la couche de glissement. Un champ électrique est créé dans une chambre à vide entre le substrat à revêtir (anode) et la cible (cathode) composée du matériau devant composer la couche. Des électrons se trouvant dans ce champ sont accélérés, entrent en collision avec des atomes d'argon amenés dans le récipient et ionisent ces derniers. Cette ionisation par choc provoque la formation d'un plasma. Lors du choc des ions argon accélérés sur la cathode, des atomes ou des amas atomiques (clusters) sont arrachés de celle-ci et déposés sur le substrat (la pièce) . Les cibles de la pulvérisation cathodique peuvent être des alliages d'AI/Bi. Cependant, on utilise de préférence plusieurs cibles de pulvérisation cathodique de compositions différentes, par exemple l'alliage d'aluminium exempt de bismuth et l'alliage de bismuth. Les proportions du mélange peuvent être ajustées entre elles de manière connue en fonction des rapports de taille ou de surface des différentes cibles. Les différentes cibles sont utilisées en alternance de manière à alterner le dépôt de couches atomiques en alliage d'aluminium et en alliage de bismuth. L'épaisseur des couches atomiques déposées, et par là même l'homogénéité de la couche, peuvent être ajustées et commandées par l'intermédiaire de la durée de la pulvérisation cathodique des différentes cibles. L'épaisseur de couche de la couche de glissement conforme à l'invention est 35 comprise de façon typique dans la plage allant de quelques pm à quelques centaines de pm. De manière particulièrement préférée, l'épaisseur de la couche est comprise dans la plage comprise entre 5 et 20 pm. Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, les couches sont déposées 5 sur une couche d'adhérence en nickel ou en alliage de nickel. Les procédés de pulvérisation cathodique présentent l'avantage qu'il ne se forme pour ainsi dire pas de phase de fusion des composés déposés et que la taille des particules déposées est de l'ordre de l'atome ou de l'amas atomique. Les particules o déposées sont ainsi pratiquement mélangées au niveau atomique. Revendications 1. Couche de glissement pour paliers lisses, notamment pour palier de vilebrequin et de bielle, à base d'un alliage constitué de plusieurs phases qui forment une matrice et une phase disperse, la phase disperse n'ayant qu'une faible solubilité dans le métal de la matrice et la matrice métallique étant formée par un alliage d'aluminium et la phase disperse par du bismuth ou un alliage de bismuth à point de fusion élevé, caractérisée en ce que le bismuth ou l'alliage de bismuth est réparti si finement qu'il est o amorphe aux rayons X ou que sa phase primaire n'est pas détectable au microscope optique. 2. Couche de glissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en bismuth dans l'ensemble de la couche de glissement est comprise entre 10 et 15 40 % en poids. 3. Couche de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le point de fusion de l'alliage de bismuth est supérieur à 250 C. 4. Couche de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'alliage de bismuth contient de l'étain ou de l'antimoine dans une quantité comprise entre 3 et 6 % en poids. 5. Couche de glissement selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisée en ce que l'alliage d'aluminium contient du cuivre dans une quantité comprise entre 0,1 et 5 % en poids. 6. Couche de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la teneur en étain dans l'alliage d'aluminium est inférieure à 0,1 30 % en poids. 7. Couche de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la teneur en plomb dans l'alliage en aluminium est inférieure à 0,1 % en poids. 8. Palier lisse comprenant un élément de base en acier, une couche de métal antifriction et une fine couche d'un agent d'adhésion, caractérisé en ce qu'il porte une couche de glissement selon l'une des revendications précédentes. 9. Palier lisse selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le métal antifriction est formé par des alliages de Cu/Ni, Cu/Sn/Bi ou des bronzes, la couche d'agent d'adhérence par du nickel ou des alliages de nickel et la couche de glissement par un alliage d'aluminium contenant de 10 à 40 % de bismuth.