Brevet FR2973268A1 — publié le 20121005

PROCEDE DE REALISATION D'UN REVÊTEMENT DE MATERIAU METALLIQUE SUR UNE SURFACE D'ALESAGE, EN PARTICULIER SUR LA SURFACE INTERNE D'UN FÛT DE CARTER CYLINDRES DE MOTEUR A EXPLOSION. La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur la surface interne d'un fût d'un carter cylindres de moteur à explosion de véhicule automobile. Le but de ce procédé est d'introduire un matériau aux propriétés tribologiques améliorées, qui remplace les chemises en fonte insérées à la coulée dans les fûts de carter cylindres en aluminium. Les chemises en fonte, en fritté ou en aluminium hypersilicé sont généralement insérées à la coulée dans des carters en aluminium sous pression ou gravité pour maîtriser le positionnement à la coulée de l'aluminium pendant l'injection, pour diminuer la déformation des fûts due aux contraintes thermiques importantes à la coulée, pour apporter une bonne rigidité des carters en aluminium en fonctionnement moteur et pour avoir une bonne cohésion chemise/carter. Les avantages de l'utilisation des chemises en fonte à graphite lamellaire (ou fonte « GL ») sont essentiellement l'important retour sur expérience produit/procédé, le faible coût des chemises et la rigidité apportée dans un carter en aluminium. Les inconvénients de cette utilisation sont, toutefois, nombreux : une masse importante, une conductivité thermique médiocre et des coefficients de dilatation différents pour les chemises et le carter, etc. D'où l'intérêt de nombreux constructeurs automobiles pour une solution différente, qui consiste à remplacer ces chemises en fonte par un revêtement appliqué directement sur les surfaces internes des fûts des carters cylindres. Il peut s'agir d'un revêtement réalisé par un procédé de projection thermique. Il peut s'agir, aussi, de manière alternative, de revêtir simplement les surfaces internes des fûts par un matériau métallique aux propriétés tribologiques améliorées par rapport à la fonte. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement un procédé permettant de réaliser sur les surfaces internes des fûts d'un carter cylindres un revêtement d'un matériau métallique qui présente des propriétés tribologiques favorables aux différents régimes de lubrification présents dans les fûts du carter cylindres. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel procédé, qui permette un allégement de la masse des carters cylindres, une diminution des pertes mécaniques dues aux frottements, une diminution de l'usure des segments d'étanchéité des pistons, une meilleure conductivité thermique entre l'insert et le fût de carter cylindres. Enfin, c'est également un but de la présente invention de fournir un tel procédé, qui soit de mise en oeuvre simple, et qui soit économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement sur la surface interne d'un fût de carter cylindres de moteur à explosion de véhicule, et ce procédé nouveau comporte les étapes suivantes, prises en combinaison : - réalisation d'un insert en matériau métallique, qui 30 présente une surface externe de faible conicité, - fixation de l'insert conique sur un mandrin, fixé au bout d'une machine rotative, entraînement en rotation à vitesse sensiblement constante de l'insert conique par le mandrin et avance de 35 l'insert conique dans le fût de carter cylindres, la surface interne dudit fût étant également de faible conicité, - accostage de l'insert conique dans le fût de carter cylindres, - soudage par friction de l'insert conique sur le fût, de telle sorte que les surfaces en contact de l'insert 5 conique et du fût se lient intimement, et - alésage de l'insert conique pour donner la géométrie du cylindre interne de fût de carter cylindres. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention, la surface externe de l'insert conique et la surface interne 10 du fût présentent, toutes deux, une conicité inférieure à 5° d'angle. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention également, la surface externe de l'insert conique et la surface interne du fût présentent une certaine rugosité 15 favorable à l'assemblage par friction de l'insert conique et du fût de carter cylindres. Dans le procédé de l'invention, il peut être prévu, de plus, une étape finale de rodage de l'alésage de l'insert conique. 20 Le fût de carter cylindres peut avantageusement être réalisé dans l'un des matériaux suivants : fonte, aluminium. L'insert conique peut avantageusement être réalisé dans un matériau à base de cuivre, de type bronze et/ou contenant du chrome, ou bien dans un matériau à base de 25 molybdène, pouvant contenir du chrome et/ou du nickel, ou bien encore dans un matériau à base de fer, contenant de la wüstite et de la magnétite. Dans ce dernier cas, le matériau de l'insert conique peut également contenir de l'hématite. La présente invention a également pour objet un 30 procédé de réalisation des fûts d'un carter cylindres, qui comporte les étapes suivantes : - usinage relativement grossier des fûts du carter cylindres, de manière à garantir l'existence de crêtes de rugosité sur la surface interne des fûts, 35 - revêtement métallique de la surface interne de chaque fût de carter cylindres selon un procédé conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes, et - surfaçage du carter cylindres, de façon à éliminer toute matière dépassant les fûts. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - la figure 1 représente, de manière très schématique, les étapes du procédé de réalisation d'un revêtement de matériau métallique sur la surface interne des fûts d'un carter cylindres de moteur à explosion, et les figures 2A à 2D représentent, très schématiquement, le processus de soudage par friction de l'insert métallique utilisé par l'invention dans un fût de carter cylindres. En référence au schéma de la figure 1, on a illustré les différentes étapes du procédé selon la présente invention, appliqué à la réalisation d'un revêtement métallique sur la surface interne des fûts d'un carter cylindres de référence générale 1. On part d'un insert métallique, de référence générale 10, dont la surface externe 11 présente une conicité inférieure à 5° d'angle, fixé sur un mandrin (non représenté). Le procédé de réalisation d'un revêtement de matériau métallique selon l'invention comporte trois étapes principales, référencées I, II, III sur le schéma de la figure 1. I) entraînement en rotation (sens de la flèche « R ») à vitesse sensiblement constante de l'insert conique 10 par le mandrin et déplacement sensiblement vertical (sens de la flèche « D ») et relativement lent dudit insert conique 10 dans un fût 20 d'un carter cylindres, d'axe longitudinal « Z » et dont la surface interne 21 présente également une conicité inférieure à 5° d'angle, II) accostage de l'insert conique 10 dans le fût conique 20, et soudage par friction de l'insert conique 10 sur le fût conique 20, de telle sorte que les surfaces en contact 11 et 21 de l'insert 10 et du fût 20, respectivement, se lient intimement, et III) alésage de l'insert 10 pour donner la géométrie 5 du cylindre de fût 20 de carter cylindres (la référence 30 désigne l'outil d'alésage). Comme exposé ci-dessus, on part d'un insert métallique légèrement conique. La conicité de la surface externe 11 de l'insert 10 et de la surface interne 21 du fût 20 permet 10 d'obtenir un léger frottement des surfaces en contact. Ce léger frottement permet de créer un échauffement léger mais suffisant pour atteindre la plasticité des surfaces métalliques 11, 21 en contact et permet, ainsi, leur léger fluage. Le frottement doit rester léger pour garantir une 15 introduction totale (sur toute sa longueur) de l'insert 10 dans le fût 20, mais doit également être suffisant pour générer un fluage dans la zone des matériaux en contact, c'est-à-dire pour générer une déformation irréversible. La géométrie légèrement conique de l'insert 10 permet 20 également d'obtenir, de manière simple, un positionnement de l'insert 10 dans le fût 20 sans qu'il soit nécessaire de recourir à l'usinage d'un chanfrein en position basse du fût 20. Il importe de noter que les surfaces en contact, à 25 savoir la surface externe 11 de l'insert 10 et la surface interne 21 du fût 20, ne sont pas rectifiées de façon à leur garantir une rugosité suffisante. Cette rugosité des surfaces 11 et 21 favorise, au cours de la phase de soudage par friction, la plastification par frottement avec micro 30 fusion des crêtes surfaciques dues à la rugosité, ce qui garantit l'adhérence entre l'insert 10 et le fût 20. L'utilisation de la technique de soudage par friction permet d'appliquer à l'intérieur des fûts 20 des carters cylindres en fonte ou en aluminium déjà coulés des matériaux 35 qui présentent des propriétés tribologiques favorables aux différents régimes de lubrification présents dans les fûts (régime hydrodynamique dans la zone de milieu de fût et régime mixte en haut et en bas du fût). La technique de soudage par friction, connue en soi, permet d'assembler l'aluminium et d'autres métaux non ferreux difficiles à souder par les procédés classiques. C'est une technique économique, qui n'utilise aucun gaz, même inerte, qui utilise un équipement connu, qui peut être réalisée par un personnel non spécialisé. Le processus de soudage par friction est illustré sur le dessin des figures 2A à 2D. L'insert conique 10, entraîné en rotation (flèche « R ») à vitesse sensiblement constante, avance (flèche « D ») dans le fût 20 (figure 2A), jusqu'à accoster sur la surface interne 21 du fût 20 (figure 2B). Le frottement des surfaces 11 et 21 en contact, dû en particulier à la composante radiale « P » de l'effort de l'insert 10 sur le fût 20, provoque la micro fusion des crêtes surfaciques de rugosité mentionnées précédemment, par conséquent la plastification sur une certaine épaisseur des surfaces 11, 21 en contact, dans la zone illustrée par la référence « M » de la figure 2C. Selon l'état des surfaces des pièces 10 et 20 avant soudure, les paramètres de cette phase d'assemblage par friction sont nécessairement différents en effort et en temps d'application pour faire en sorte qu'il n'y ait pas de vibration susceptible de nuire à la mécanique de la machine utilisée, notamment au mandrin d'entraînement (non représenté) de l'insert 10, et à la géométrie et à la coaxialité des pièces 10, 20 en contact. Pour cette étape d'assemblage par friction, les paramètres de soudage sont déterminés d'après les caractéristiques des matériaux, leur coefficient de friction et leur section. La température en surface interne 21 du fût 20 et surface externe 11 de l'insert 10 croît et la plasticité des métaux en contact augmente à mesure que l'insert 10 est introduit dans le fût 20. Les deux surfaces 11 et 21 se lient intimement avec absence de lames d'air (liaison illustrée par la référence « S » de la figure 2D). Comme déjà évoqué précédemment, l'insert conique 10 est réalisé dans un matériau à propriétés tribologiques intéressantes. Ainsi, pour la réalisation de l'insert conique, les bases « cuivre », de type bronze peuvent être utilisées en leur ajoutant des éléments durcisseurs, tels que le nickel pour améliorer leur résistance à l'usure. D'autres éléments peuvent également être introduits pour augmenter leur résistance à la corrosion, comme par exemple du chrome. De la même façon, les bases « molybdène » présentent un faible coefficient de frottement et la présence d'éléments, tels que le nickel et le chrome, permettent de les durcir pour améliorer leur résistance à l'usure. L'oxydation du molybdène (en dioxyde de molybdène « Mo02 ») a pour résultat également un durcissement du matériau. Toujours pour la réalisation de l'insert, les bases « fer » peuvent être envisagées si elles contiennent de la wüstite (FeO) et de la magnétite (Fe304), qui sont des composés durs et autolubrifiants permettant d'apporter à la matrice « fer » de bonnes propriétés tribologiques, spécialement aux points morts « haut » et « bas » des fûts où l'usure des chemises est principalement localisée (zones d'existence d'une lubrification mixte). Les taux d'oxydes (wüstite + magnétite) varient de 10 à 30 % environ. On notera qu'un troisième oxyde de fer peut être présent dans les dépôts : l'hématite (Fe203), qui présente des propriétés abrasives uniquement (pas de propriétés autolubrifiantes). De ce fait, l'hématite doit rester dans des proportions relativement basses ( REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un revêtement métallique sur une surface d'alésage, en particulier mais non exclusivement sur la surface interne (21) d'un fût (20) de carter cylindres (1) de moteur à explosion de véhicule, caractérisé par les étapes suivantes, prises en combinaison : - réalisation d'un insert (10) en matériau métallique, qui présente une surface externe (11) de faible conicité, - fixation de l'insert conique (10) sur un mandrin, - entraînement en rotation (« R ») à vitesse sensiblement constante de l'insert conique (10) par le mandrin et avance (« D ») de l'insert conique (10) dans le fût (20) de carter cylindres, la surface interne (21) dudit fût (20) étant également de faible conicité, - accostage de l'insert conique (10) dans le fût (20) de carter cylindres, - soudage par friction de l'insert conique (10) sur le fût (20), de telle sorte que les surfaces (11, 21) en contact de l'insert conique (10) et du fût (20) se lient intimement, et - alésage de l'insert conique (10) pour donner la géométrie du cylindre interne de fût (20) de carter 25 cylindres. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface externe (11) de l'insert conique (10) et la surface interne (21) du fût (20) présentent, toutes deux, une conicité inférieure à 5° d'angle. 30 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface externe (11) de l'insert conique (10) et la surface interne (21) du fût (20) présentent une certaine rugosité favorable à l'assemblage par friction de l'insert conique (10) et du fût (20) de 35 carter cylindres. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu, de plus, une étape de rodage de l'alésage de l'insert conique (10). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fût (20) de carter cylindres est réalisé dans l'un des matériaux suivants : fonte, aluminium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'insert conique (10) est réalisé dans un matériau à base de cuivre, de type bronze et/ou contenant du chrome. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'insert conique (10) est réalisé dans un matériau à base de molybdène, pouvant contenir du chrome et/ou du nickel. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'insert conique (10) est réalisé dans un matériau à base de fer, contenant de la wüstite et de la magnétite. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau de l'insert conique (10) contient également de l'hématite. 10. Procédé de réalisation des fûts d'un carter cylindres de moteur à explosion de véhicule, caractérisé par 25 les étapes suivantes : - usinage relativement grossier des fûts (20) du carter cylindres (1), de manière à garantir l'existence de crêtes de rugosité sur la surface interne (21) des fûts (20), 30 - réalisation d'un revêtement métallique de la surface interne (21) de chaque fût (20) de carter cylindres (1) selon un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, et - surfaçage du carter cylindres (1), de façon à 35 éliminer toute matière dépassant les fûts (20). 11. Véhicule, en particulier véhicule automobile, de type à moteur à explosion, caractérisé en ce qu'il comprendun carter cylindres (1), qui est réalisé selon un procédé conforme à la revendication précédente.