Brevet FR2961827A1 — publié le 20111230

Procédé pour l'application d'un revêtement sur un carter cylindre en alliage d'aluminium [0001 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. [0003] 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. [0005] 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. [0006] 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. [0010] 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] De même dans GB 2 312 000, on a proposé un procédé de préparation et de revêtement d'une surface d'alésage cylindrique interne d'une pièce comprenant : l'insertion et le déplacement rotatif de manière réciproque d'une pluralité d'éléments de pierrage contre ladite surface d'alésage avec une pression d'au moins 30 psi pour réaliser un dessin d'abrasions en spirale se chevauchant sur ladite surface, chaque élément étant constitués de particules abrasives multi-facettes de forme irrégulière, lesdites particules lorsqu'elles sont en contact avec ladite surface creusant des rainures irrégulières espacées, non douces, de taille micro dans ladite pièce, ayant comme résultat des pics en spirale et des creux le long de la direction du mouvement, la réciprocité et la rotation répétées des éléments contraires ont pour résultat des rainures se chevauchant et abrasant en travers les pics et creux faits avant accompagnés par un moulage et un rabattement de certains desdits pics et creux pour créer des imperfections, plis et rainures irrégulières de micro tailles. Puis on dépose par projection thermique des particules métalliques résistantes sur ladite surface abrasée pour former un revêtement cohérent, lesdites particules déposées migrant à l'intérieur desdites rainures non douces et dans lesdites imperfections, plis et rainures durant le dépôt thermique pour augmenter la résistance de liaison mécanique dudit revêtement à ladite pièce. [0016] 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 à la surface à l'aide d'outils abrasifs. [0017] 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. [ools] Une solution consiste à utiliser une sous-couche d'adhérence type Ni/Al. Cependant cette solution reste d'un coût trop élevé. [0019] 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 : [0020] 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, [0021] pour les contraintes de corrosion -résistance au milieu corrosif de la chambre (soufre, alcool, eau, éthers, plomb, naphtalène...), - compatibilité avec les huiles moteurs, [0022] 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 [0023] pour les contraintes industrielles - être bon marché - être non polluant [0024] 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. [0025] 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 la rendre rugueuse et à un préchauffage de ladite surface rugueuse préalablement à l'étape de projection thermique. [0026] 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 mécanique pour la rendre rugueuse associé à un préchauffage de la surface augmente l'adhérence du revêtement obtenu ensuite par projection thermique. [0027] 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, on obtient ainsi des caractéristiques dimensionnelles et géométriques requises pour le fût, puis on réalise alors le traitement mécanique permettant d'obtenir l'état de rugosité requis pour la projection thermique, par exemple par sablage, par usinage, par jet d'eau, par rodage... ou encore de manière préférée par brossage, puis on réalise ensuite le préchauffage de la surface des fûts et ensuite le revêtement par projection thermique. [0028] Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le traitement mécanique pour rendre rugueuse la surface métallique cylindrique (fût) est un brossage réalisé à l'aide d'une brosse munie d'un mouvement de rotation couplé à un mouvement de translation oscillatoire. La résultante est un état de surface du type « stries croisées » qui permet de garantir une rugosité homogène sur toute la surface du fût. 5 [0029] De préférence, on utilise une brosse portant des boules constituées de grains abrasifs en carbure de silicium ou en oxyde d'aluminium avec des grains avec une dimension de grain comprise entre 30 à 250 µm. [0030] On réalise ensuite un préchauffage de ladite surface soit : [0031] - à l'aide d'un inducteur introduit au niveau de chaque fût [0032] - par immersion du carter cylindres dans une étuve [0033] - à l'aide de lampes infrarouge introduites dans chaque fut [0034] - à l'aide d'appareils soufflant de l'air chaud introduits dans chaque fut [oo35] - à l'aide d'une torche de projection thermique utilisant un plasma chaud (exemple : torche PTWA) permettant par plusieurs aller-retour dans les futs de préchauffer les surfaces [0036] 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. [0037] 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. Un tel carter présente donc un poids amélioré tout en offrant toutes les caractéristiques de contraintes mécaniques et thermiques nécessaires. [0038] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0039] La figure 1 représente une vue en perspective d'une brosse utilisée dans le procédé selon l'invention ; [0040] La figure 2 représente une courbe montant l'évolution de l'adhérence en fonction du préchauffage ; [0041] Les figures 3a et 3b représentent des photos des revêtements obtenus après une attaque au nital. [0042] Comme on peut le voir à la figure 1, la brosse 1 est constituée d'une tige 2 à partir de laquelle s'étendent des bras montés en spirale et portant à leur extrémité une boule 3 constituée de grains abrasifs. [0043] Une telle brosse 1 peut être utilisée facilement sans qu'il soit besoin de prévoir un outil spécial de rodage, ladite brosse 1 pouvant être utilisée dans un centre d'usinage classique muni d'un attachement standard permettant d'utiliser la brosse comme un outil classique. [0044] Par ailleurs, les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des fûts du carter cylindre ainsi traités ne se dégradent pas. [0045] On obtient alors une surface rugueuse de manière homogène dont l'état de surface est du type « stries croisées ». Les stries réalisées grâce à brossage sur la surface alésée permettent d'obtenir un état de surface présentant une succession de pics et de vallées. Les hauteurs séparant les pics des vallées ne dépassent pas 70µm. La rugosité ainsi obtenue est suffisante pour obtenir un bon accrochage tout en garantissant une bonne qualité du revêtement. En effet si le substrat à revêtir présente une rugosité trop importante on risque de créer des défauts dans le revêtement et par conséquent nuire à la durée de vie du revêtement. [0046] 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 préchauffage du substrat en aluminium est comprise entre 80°C et 250°C. Le temps de préchauffage selon les méthodes employées variera entre quelques secondes (pour l'induction) et plusieurs minutes (pour les autres procédés). Il a été démontré que ce préchauffage avait par ailleurs une influence bénéfique sur le niveau des contraintes résiduelles présentes dans le revêtement avant rodage. [0047] On a pu montrer que le préchauffage 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 on pu montrer selon la norme ASTL C633-79 que le préchauffage du substrat permet d'augmenter l'adhérence des revêtements déposés quelle que soit la teneur en carbone de ces dépôts. [0048] Les revêtements testés sont 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. Ainsi que le montre le tableau, on peut voir que l'adhérence évolue favorablement avec le préchauffage. [0049] Les revêtements obtenus ont préférentiellement des teneurs en carbone comprises entre 0,02% et 0,9 % de carbone et des teneurs en manganèse comprises entre 0,2% et 1,1 %. Les oxydes de fer présents dans le revêtement sont de type FeO et Fe3O4. [0050] Les figures 3a et 3b montrent qu'après une attaque au nital les revêtements obtenus présentent une structure stratifiée, avec des couches claires et des couches sombres, des particules de forme arrondie et des porosités. Cet ensemble enchevêtré de fines lamelles résulte de l'aplatissement de particules entourées d'une très fine couche d'oxyde (en gris), projetées sur le substrat en alliage d'aluminium. Les taches très noires correspondent aux porosités. Quelques particules de forme arrondie, solidifiées avant d'atteindre le support, sont figées entre les lamelles. L'attaque métallographique révèle des structures de trempe composées de différentes baïnites avec éventuellement un mélange de martensite et d'austénite résiduelle. L'ensemble variant en fonction du taux de décarburation des gouttelettes et de la vitesse de refroidissement de ces dernières. Ces structures bainitiques permettent d'obtenir de bonnes propriétés en frottement et en usure. Certaines conditions de projection permettent d'obtenir. [0051] 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 la rendre rugueuse et à un préchauffage de ladite surface rugueuse préalablement à l'étape de projection thermique. 2. procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement mécanique permettant d'obtenir l'état de rugosité de la surface est le sablage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise un brossage, en tant que traitement mécanique de la surface. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise une brosse (1) constituée d'une tige (2) à partir de laquelle s'étendent des bras montés en spirale et portant à leur extrémité une boule (3) constituée de grains abrasifs, ladite brosse étant munie d'un mouvement de rotation couplé à un mouvement de translation oscillatoire. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le préchauffage 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. 6. .Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le préchauffage de ladite surface est mis en oeuvre par immersion du carter cylindres dans une étuve. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le préchauffage de ladite surface est mis en oeuvre à l'aide d'une torche de projection thermique utilisant un plasma chaud permettant par plusieurs aller-retour dans les futs de préchauffer les surfaces. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température du préchauffage est comprise entre 80°C et 250°C. 9 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le revêtement est déposé par un procédé de projection thermique de type arc électrique. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le revêtement est déposé par un procédé de projection thermique de type plasma.