Brevet FR2967693A1 — publié le 20120525

PROCEDE POUR L'APPLICATION D'UN REVETEMENT SUR UN CARTER CYLINDRE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM [000l La présente invention concerne un procédé pour l'application d'un revêtement sur un carter cylindre en alliage d'aluminium. [0002 Il est connu pour appliquer un revêtement sur des surfaces d'utiliser une technique de projection thermique qui offre de multiples possibilités pour modifier les propriétés de surface des matériaux. [0003i La consommation en carburant des véhicules est directement liée à leur poids et donc au poids des pièces en mouvement. En ce qui concerne le moteur, si on veut l'alléger de façon significative, il faut partir d'une base aluminium. Le champ d'application des alliages d'aluminium reste cependant souvent limité par une résistance mécanique insuffisante en surface, rendant impossible leur utilisation ou imposant localement des renforts la plupart du temps sous forme de pièces insérées. Ainsi, les propriétés tribologiques de ces matériaux étant insuffisantes, les fabrications actuelles incorporent des chemises en fonte ce qui limite le gain en termes de poids et donc de consommation. [0004 Cependant, parmi les matériaux amenés à jouer un rôle de plus en plus important dans l'industrie, l'aluminium occupe une place de choix. Ce métal présente la propriété d'avoir une faible densité ce qui est une qualité primordiale pour un secteur tel que l'automobile. Le substrat considéré à savoir un carter cylindre étant donc en alliage d'aluminium, ce matériau peut recevoir un traitement de surface en vue d'améliorer ses propriétés tribologiques (meilleur comportement en usure) ou chimiques (meilleure tenue en corrosion) et sa tenue mécanique en surface. [0005i Ainsi, le but de la présente invention est de proposer une technique permettant de remplacer les inserts en fonte actuellement utilisés dans les carters cylindres en aluminium en déposant un revêtement sur les cylindres. Les avantages seraient d'obtenir à la fois un bloc moteur plus léger et donc réduire la consommation d'essence ainsi que des interfûts réduits ce qui permettrait d'augmenter la cylindrée pour un même bloc moteur, de meilleurs transferts de chaleur et un prix plus faible. [0006i La température dans la chambre de combustion par rapport à l'utilisation d'un insert en fonte plus épais risque d'être plus faible. On augmente ainsi les performances du moteur sans changer le système de refroidissement ainsi que le rapport de compression tout en gardant les mêmes conditions de détonation. Les principales propriétés recherchées pour un revêtement sont donc : une bonne adhérence, une résistance à la fatigue thermique, à l'usure, un coefficient de frottement constant et proche de celui présenté par la fonte, une résistance à la corrosion et à l'oxydation ainsi qu'un haut module d'élasticité et une bonne usinabilité. Ce revêtement doit permettre également un transfert de chaleur acceptable afin d'éviter les microsoudures, l'usure ou un préallumage. [0007] Un système Segment Piston Chemise (SPC) obtenu doit confiner les pressions de la combustion, effectuer la lubrification des surfaces, minimiser la consommation d'essence, la friction, le bruit, ne pas avoir de dérive dans le temps, être peu polluant, satisfaire à toutes les normes de sécurité et de recyclage et permettre à terme la mise sur le marché de moteurs plus puissants. [0008] On connaît comme technique de revêtement, de projeter des matériaux tels que des alliages à base de fer. [0009] Dans un procédé de revêtement par projection thermique, le matériau d'apport, qui se présente soit sous forme de fil soit sous forme de poudre, est injecté au sein d'une source enthalpique. Ainsi par échange de chaleur, le matériau est fondu puis projeté sur un subjectile grâce à l'énergie communiquée par la source. Les gouttelettes de métal fondu ainsi accélérées s'écrasent à la surface du substrat et s'empilent les unes sur les autres pour former un revêtement. La source enthalpique utilisée est généralement un plasma. [oolo] Dans l'automobile, la projection thermique s'applique principalement à des pièces soumises à de hautes températures ou aux frottements (pistons, soupapes, échappement, segments ...). [0011] Ainsi, on connaît plusieurs procédés permettant de déposer un revêtement par projection thermique tels que par Plasma, Arc Electrique deux fils (connu sous l'abréviation TWA : Twin Wire Arc) ou Arc Electrique 1 fils auquel on a ajouté un petit plasma et connu sous l'abréviation PTWA. Toutefois, pour permettre l'ancrage du dépôt sur les parois en aluminium des fûts avec ces procédés, il est nécessaire de donner une certaine rugosité à la surface. [0012] La technique la plus répandue pour préparer des surfaces en alliage d'aluminium avant revêtement par projection thermique est le sablage à l'aide de particules type Al203 (taille moyenne 500µm). [0013] Cette technique pose toutefois des problèmes dans le cas d'une application grande série puisqu'on risque de conserver des inclusions d 'AI203 au niveau de l'interface revêtement / Carter en aluminium et ces particules de céramique étant très dures, leur présence ne peut être tolérée sur la pièce finie. De plus, le procédé est lourd à gérer : cabines spécifiques, nécessité de contrôler la propreté et la qualité du sable et la nécessité de masquer de manière efficace le bloc et en particulier les zones où débouche le circuit de refroidissement. [0014] On connaît également par US 5 626 674, un procédé de traitement de surfaces d'alésages cylindriques en bombardant la surface avec des jets d'eau à haute pression de manière à préparer la surface en vue d'effectuer un revêtement par projection thermique. [0015] On a proposé également de réaliser des traitements mécaniques de la surface qui soient « secs ». Ainsi, dans US 2005/0044707, on a proposé de réaliser notamment un brossage, un moletage, un perçage, un fraisage de la surface. De même dans US 7 614 272, on a proposé de réaliser un traitement de surface dans lequel un outil est pressé contre la surface interne du cylindre pour former une dépression grâce à une déformation plastique en forme de spirale. [0016] Il a été également proposé de réaliser un traitement mécanique de la surface par usinage avec des profils très particuliers des rugosités. Cependant, des problèmes se posent pour ce type d'usinage. En effet, les rugosités utilisées sont très importantes (profondeurs des pics > 100µm avec des maximum selon les profils atteignant plus de 200µm ). Hors les règles du métier de la projection thermique préconise un Ra entre 5 et 10µm, ce qui se traduit par des hauteurs pic / vallée entre 25 et 50 µm... Or, plus la rugosité est importante et plus on augmente le risque de créer des porosités à l'intérieur du revêtement (car le revêtement est constitué d'un empilement de gouttelettes de métal fondu écrasé) et ces porosités si elles sont trop grosses sont des sites où il y a un risque fort de délamination/arrachement du revêtement ou de baisse de l'adhérence si elles sont situées à l'interface revêtement / carter cylindre. Par ailleurs, plus on augmente la rugosité finale du revêtement plus il faut déposer de matière pour être sûr qu'après rodage on a bien ôté toutes les bosses et obtenu un revêtement partout usiné. En outre, la géométrie du profil est agressive par rapport à la structure lamellaire du revêtement ce qui crée des entailles qui risquent de découper le revêtement. [0017] Par conséquent, on a proposé soit une préparation thermique de la surface par préchauffage de la surface à revêtir soit une préparation mécanique par usinage de cette surface en créant des rayures, des empreintes, des rugosités à la surface à l'aide d'outils abrasifs, de moletage ou d'usinage. [ools] Cependant, les enjeux actuels visent à réduire encore plus le poids des moteurs et à envisager également de remplacer les inserts en fonte par une chemise constituée d'un revêtement déposée à la surface du cylindre et ce même pour des moteurs Diesel fortement sollicités, les qualités d'adhérence du revêtement revêtent alors une importance capitale. Or, cette adhérence du revêtement obtenue par les procédés connus peut devenir critique. Il convient donc de renforcer cette adhérence. [0019] Une solution consiste à utiliser une sous-couche d'adhérence type Ni/AI. Cependant cette solution reste d'un coût trop élevé. [0020] Il est donc primordial de proposer un procédé de revêtement par projection thermique dont on peut garantir que le dépôt effectué aura les qualités suivantes : [0021] pour les contraintes thermiques -résistance aux chocs thermiques (plus particulièrement au démarrage), - résistance aux hautes températures (environ 150°C en surface en haut de fût), - permission de transferts de chaleur acceptables afin d'éviter les microsoudures ou un pré-allumage, [0022] pour les contraintes de corrosion -résistance au milieu corrosif de la chambre (soufre, alcool, eau, éthers, plomb, naphtalène...), - compatibilité avec les huiles moteurs, [0023] pour les contraintes mécaniques - présenter une bonne adhérence > 35 MPa - avoir des contraintes de compression - présenter un comportement tribologique correct même en cas de lubrification limite - résister aux pressions de combustion - être facilement rectifiable / rodable [0024] pour les contraintes industrielles - être bon marché - être non polluant [0025] Par conséquent, le revêtement idéal doit présenter les qualités suivantes : résistance à l'usure, résistance à la corrosion, faible coût, usinage, conductibilité, adhérence, méthode d'application. [0026] L'invention a donc pour but de proposer un procédé de revêtement d'une surface métallique par un traitement de projection thermique d'un alliage sur ladite surface, caractérisé en ce que la surface métallique est soumise à une opération de traitement mécanique pour former des empreintes en creux de faible profondeur à la surface de la pièce, et préalablement à l'étape de projection thermique, on réalise un chauffage de ladite surface pourvue d'empreintes. [0027] En effet, de manière très avantageuse, on a pu constater que la soumission de la surface métallique cylindrique du fût d'un carter cylindre à un traitement formant des empreintes en creux à la surface associée à un chauffage préalable de la surface augmente l'adhérence du revêtement obtenu ensuite par projection thermique. [0028] Ainsi, sur un carter cylindre en alliage d'aluminium issu de fonderie, on réalise d'abord un écroutage du fût, puis une finition du fût à l'aide d'une barre d'alésage en une ou plusieurs passes, on obtient ainsi des caractéristiques dimensionnelles et géométriques requises pour le fût, puis on réalise ensuite un moletage pour former les empreintes en creux sur la surface, puis on réalise ensuite le chauffage de la surface des fûts et ensuite le revêtement par projection thermique. [0029] Avant de réaliser le moletage, la surface en aluminium est donc uniquement alésée (et non rodée), afin d'obtenir les caractéristiques dimensionnelles et géométriques du fût avant moletage. La surface après alésage présente une rugosité plus importante par comparaison avec un rodage. On augmente cette rugosité et donc le nombre de points d'accroche en y ajoutant des motifs réguliers réalisés par moletage. Le moletage permet en effet de réaliser des motifs avec des profondeurs respectant les règles de projection thermique, c'est-à-dire en créant des motifs avec des hauteurs pics / vallée de préférence entre 25 et 65µm. [0030] Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le moletage est mis en oeuvre à l'aide du dispositif décrit notamment dans le brevet européen 1 405 689 appartenant à la demanderesse. [0031] Un procédé selon l'invention permet de réaliser des reliefs à la surface dont la profondeur est modulable et surtout parfaitement adaptée pour un traitement ultérieur par projection thermique. On obtient notamment un aspect assez « vallonné » du relief intrinsèque au procédé, évitant les angles vifs créés habituellement par l'usinage et donc non agressif par rapport au revêtement. De plus, les profils sont réalisables à la fois en étant susceptibles de bien accrocher le revêtement (avec les pics et les creux) mais sans créer d'angles morts pour la projection (et donc de risque de défaut) et répartition des surfaces en creux non aléatoires avec possibilité de faire varier le pas de moletage en fonction de la hauteur du fût. [0032] Pour mettre en oeuvre le moletage, on peut utiliser un outil monobloc, un outil avec plaquettes rapportées dans lequel les plaquettes rapportées sont unitaires et fixées dans des logements dont un mécanisme permet leur réglage radial (perpendiculaire à l'axe de l'outil). Un cylindre de référence est usiné sur l'outil. Les plaquettes sont réglées par rapport à ce cylindre. On peut ainsi maîtriser le réglage de chacune des plaquettes. On peut également utiliser un outil de moletage avec couronne rapportée évitant ainsi un réglage des plaquettes. [0033] L'outil de moletage choisi est fixé (attachement standard) en broche sur une machine conventionnelle à commande numérique. Une interpolation circulaire est programmée dans la commande numérique. Le rayon du cercle décrit par l'axe de l'outil est fonction, du diamètre du cylindre moteur, du diamètre de la molette et de la profondeur du «marquage» à obtenir. La machine décrit le cercle programmé (interpolation de 2 axes). [0034] On peut utiliser des systèmes d'entraînement de la molette différents. Ainsi une «molette» montée sur roulement, entraînée par sa friction avec le cylindre du carter moteur, tourne sur elle-même et imprime le relief ad hoc tandis qu'avec un entraînement sans roulement, la molette n'est plus montée libre par rapport à la broche (roulement) mais d'une manière rigide. Son mouvement sera entièrement piloté numériquement via une synchronisation de la rotation broche par rapport au mouvement d'interpolation décrivant le cercle perpendiculaire à l'axe du cylindre. Ce principe est applicable facilement avec des machines à commande numérique. [0035] En ce qui concerne le marquage, sa géométrie, le nombre et la répartition du marquage sont ajustables en fonction de la géométrie de la molette réalisée, de la programmation de la commande numérique (parcours de l'outil). [0036] On peut ainsi réaliser un marquage par niveau et la succession de plusieurs niveaux de marquage peut être réalisée par programmation de la commande numérique ou par un «empilage» de plusieurs «molettes» sur le même outil, ou par un cumul de ces deux solutions. On obtient une succession de « lignes ». [0037] On peut également réaliser un marquage en trait croisé, la molette étant reliée au corps de l'outil par une liaison pivot. Cette liaison permet à l'outil une inclinaison lorsqu'on associe un mouvement circulaire et de translation. La molette tourne au tour de son axe et c'est l'axe n °1 qui assure son inclinaison. Ce système permet un marquage continu sur toute la hauteur du fût. On obtient des traits croisés comme en rodage classique. [0038] Pour assurer une bonne précision du marquage non seulement l'usinage de la molette ou le réglage des plaquettes doit être précis mais le procédé doit filtrer les défauts géométriques de la surface à traiter ainsi que les défauts d'asservissement de la machine. Ainsi, on utilise un système par butée, un cylindre de référence étant usiné sur l'outil. Pendant l'opération, le cylindre est en contact avec la surface à marquer. Le cylindre de référence suit les défauts de forme de la pièce ainsi l'outil s'affranchit des défauts. Le réglage des plaquettes par rapport à ce cylindre de référence permet de maîtriser la profondeur des stries à réaliser à la surface de la pièce. [0039] On également utiliser un système de régulation de pression qui encaisse les défauts de forme de la pièce lors de l'opération. La pression entre la molette et le surface est constante ; le marquage est régulier même si la pièce a des défauts de forme. [0040] De préférence, les matériaux que l'on utilise pour la molette ou les dents de marquage sont choisis parmi l'acier rapide, le carbure de tungstène, une céramique, du nitrure de Bore Cubique Poly cristallin, le diamant mono cristallin, le diamant poly cristallin. [0041] On réalise ensuite un chauffage de ladite surface soit : - à l'aide d'un inducteur introduit au niveau de chaque fût - par immersion du carter cylindres dans une étuve - à l'aide de lampes infrarouge introduites dans chaque fût - à l'aide d'appareils soufflant de l'air chaud introduits dans chaque fût [0042] - à l'aide d'une torche de projection thermique utilisant un plasma chaud (exemple : torche PTWA) permettant, par plusieurs allers-retours dans les fûts, de préchauffer les surfaces. Il est notamment possible d'utiliser uniquement le circuit de gaz d'atomisation pour faire circuler de l'air chaud. [0043] Puis une fois cela effectué, on peut mettre en oeuvre le revêtement de la surface par un traitement par projection thermique du type à l'arc électrique ou plasma. [0044] Le procédé de traitement selon l'invention permet d'obtenir un gain qualité revêtement car les hauteurs pics / vallée respectent les règles de projection thermique, un gain en durabilité car pas d'effet d'entaille dans le revêtement du à des zones agressives usinées dans l'aluminium, un gain en durabilité car on met des contraintes de compression dans l'aluminium. De ce fait, l'aluminium aura tendance à se refermer naturellement sur le revêtement, à l'emprisonner et donc à maintenir ce revêtement. [0045] En outre, on obtient ainsi une bonne précision et répétabilité des surfaces en creux. Ce type de procédé ne dégrade pas les caractéristiques géométriques et dimensionnelles du fût. On observe un gain économique car il y a peu d'usure d'outil observé lors des essais sur chemises fonte... et par conséquent sur des carters en aluminium. Un tel procédé est en outre utilisable en l'état sur un moyen d'usinage à commande numérique standard, présente un temps de cycle compatibles de la grande série, [0046] On obtient donc ainsi un carter cylindre en alliage d'aluminium dans lequel les chemises des fûts sont constituées par le revêtement obtenu selon le procédé de l'invention et non plus par un insert en fonte. Les revêtements sont de préférence des aciers avec différentes teneurs en carbone et différentes teneurs en oxydes de fer. Le substrat sur lequel le revêtement était projeté était un cylindre en alliage d'aluminium obtenu par procédé de moulage gravité. On a ainsi montré que l'adhérence évolue favorablement avec le chauffage. [0047] Les revêtements obtenus ont préférentiellement des teneurs en carbone comprises entre 0,020/0 et 0,9 °/O de carbone et des teneurs en manganèse comprises entre 0,20/0 et 1,1 °/O. Les oxydes de fer présents dans le revêtement sont de type FeO et Fe3O4. [0048] Un tel carter présente donc un poids amélioré tout en offrant toutes les caractéristiques de contraintes mécaniques et thermiques nécessaires. [0049] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0050] La figure 1 représente un premier exemple de profil d'empreintes en creux réalisées selon le procédé de l'invention ; [0051] La figure 2 représente un deuxième exemple de profil d'empreintes en creux réalisées selon le procédé de l'invention ; [0052] Comme on peut le voir à la figure 1, les empreintes en creux réalisées par moletage selon le procédé de l'invention présente une profondeur P1 d'environ 30 à 60 lm +/- 10 µm, une largeur 11 de 50 à 100 lm +/- 10 µm, une longueur L1 de 1000 à 3000 lm +/- 50 lm et le pas p1 entre chaque motif est de 500 à 2000 pm +/- 50 µm. [0053] A la figure 2, on a proposé un deuxième exemple de profil d'empreinte en creux selon le procédé de l'invention qui présente une profondeur P2 de 30 à 60 lm +/- 10 µm, une largeur 12 de 50 à 100 lm +/- 10 pm et une longueur L2 de 1000 à 3000 lm +/- 50 µm, le pas p2 entre chaque motif étant de 500 à 2000 lm +/- 50 µm. [0054] On s'aperçoit qu'en pratique du fait de bourrelets latéraux issus de la déformation matière par l'outil, le profil de la surface présente un aspect du type représenté sur la figure 3 qui correspond au profil de la figure 2. [0055] Par ailleurs, les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des fûts du carter cylindre ainsi traités ne se dégradent pas. [0056] On propose ensuite de chauffer les fûts avant le traitement par projection thermique à l'aide d'un inducteur 4. La température visée pour le chauffage du substrat en aluminium est comprise entre 80°C et 250°C. Le temps de chauffage selon les méthodes employées variera entre quelques secondes (pour l'induction) et plusieurs minutes (pour les autres procédés). Il a été démontré que ce chauffage avait par ailleurs une influence bénéfique sur le niveau des contraintes résiduelles présentes dans le revêtement avant moletage. [0057] On a pu montrer que le chauffage permet d'augmenter l'adhérence des revêtements qui sont ensuite déposés quelle que soit la teneur en oxydes de fer et en carbone des matériaux alliages déposés. Ainsi des mesures d'adhérence ont pu montrer selon la norme ASTL C633-79 que le chauffage du substrat permet d'augmenter l'adhérence des revêtements déposés quelle que soit la teneur en carbone de ces dépôts. [0058] Les revêtements sont de préférence des aciers avec différentes teneurs en carbone et différentes teneurs en oxydes de fer. Le substrat sur lequel le revêtement était projeté était un cylindre en alliage d'aluminium obtenu par procédé de moulage gravité. On a ainsi montré que l'adhérence évolue favorablement avec le chauffage préalable à la projection thermique. [0059] Les revêtements obtenus ont préférentiellement des teneurs en carbone comprises entre 0,020/0 et 0,9 % de carbone et des teneurs en manganèse comprises entre 0,20/0 et 1,1 %. Les oxydes de fer présents dans le revêtement sont de type FeO et Fe3O4. [0060] Le revêtement sera réalisé par le procédé selon l'invention sur des futs de carter cylindre en alliage d'aluminium de fonderie de type gravité ou sous-pression. REVENDICATIONS1. Procédé de revêtement d'une surface métallique par un traitement de projection thermique d'un alliage sur ladite surface, caractérisé en ce que la surface métallique est soumise à une opération de traitement mécanique pour former des empreintes en creux de faible profondeur à la surface de la pièce, et, préalablement à l'étape de projection thermique, on réalise un chauffage de ladite surface pourvue d'empreintes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moletage permet de réaliser des motifs avec des hauteurs pics / vallée de préférence entre 25 et 65µm. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moletage permet de réaliser des motifs dont la profondeur P1, P2 est d'environ 30 à 60 lm +/- 10 µm, la largeur ,11 12 de 50 à 100 pm +/- 10 pm et la longueur L1, L2 est de 1000 à 3000 lm +/- 50 µm, le pas p1, p2 entre chaque motif étant de 500 à 2000 pm +/- 50 µm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le marquage est réalisé par niveau. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le marquage est réalisé en trait croisé. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de ladite surface est mis en oeuvre à l'aide des moyens de chauffage introduit au niveau de chaque fût tels qu'un inducteur (4), des lampes infrarouge, d'appareils soufflant de l'air chaud dans chaque fut. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de ladite surface est mis en oeuvre par immersion du carter cylindres dans une étuve. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de ladite surface est mis en oeuvre à l'aide d'une torche de projection thermique utilisant un plasma chaud permettant par plusieurs allers-retours dans les fûts de préchauffer les surfaces. 11 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la température du chauffage est comprise entre 80°C et 250°C. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le revêtement est déposé par un procédé de projection thermique de type arc électrique. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le revêtement est déposé par un procédé de projection thermique de type plasma. 12. Carter cylindre en alliage d'aluminium dans lequel les chemises des fûts sont constituées par un revêtement obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 11.