Brevet FR2983216A1 — publié le 20130531

ENSEMBLE D'AU MOINS DEUX PIECES MECANIQUES METALLIQUES DESTINEES A ETRE EN CONTACT GLISSANT [0001] L'invention concerne des pièces mécaniques métalliques en contact glissant ou roulant les unes vis-à-vis des autres. Elle s'intéresse plus particulièrement à des pièces de ce type faisant partie d'organes appartenant au groupe moto-propulseur d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile, comme un moteur ou une boîte de vitesse. [0002] Il est connu différentes voies pour améliorer le contact glissant entre deux pièces mécaniques. Il est ainsi connu d'équiper la surface de glissement de l'une des pièces mécaniques d'un revêtement qui peut avoir la fonction d'un lubrifiant solide, et/ou d'un revêtement anti-usure, afin de limiter les pertes d'énergie mécanique dues aux forces de frottement crées lors de l'actionnement d'une pièce par rapport à l'autre, et pour augmenter leur durée de vie. [0003] On connaît notamment des revêtements de ce type à base de carbone amorphe (graphite), aussi connus sous l'acronyme « DLC » pour le terme anglais « Diamond Like Carbon ». Ce matériau est particulièrement intéressant : c'est une forme métastable du carbone, constitué d'un mélange d'atomes de carbone sous différents états (avec liaisons covalentes sp2, liaisons dites hybridées sp3...) et d'une teneur nulle ou non en hydrogène. Les revêtements DLC sont usuellement classés en deux familles : les DLC hydrogénés, généralement obtenus par une technique de dépôt par pyrolyse en phase gazeuse, aussi appelée CVD pour le terme anglais « Chemical Vapor Deposition », et les DLC non hydrogénés, généralement obtenus par une technique de dépôt dite dépôt physique par phase vapeur, aussi appelée PVD pour le terme anglais « Physical Vapor Deposition ». [0004] Ce matériau peut aussi être dopé, afin, notamment, d'améliorer ses propriétés tribologiques ou sa durabilité sous forme de revêtement. Les dopants les plus usuellement utilisés sont des métaux comme le titane ou le tungstène, ou encore le silicium. [0005] De plus, on peut prévoir de disposer une couche d'adhésion entre le substrat, ici la pièce mécanique à traiter, et la couche DLC à proprement dite, pour en faciliter l'adhérence et donc en améliorer sa tenue. [0006] II est par ailleurs connu d'avoir recours à des lubrifiants liquides, qui sont très utiles pour le bon fonctionnement des organes d'un groupe moto propulseur en venant s'intercaler entre les surfaces en contact glissant. Les lubrifiants viennent diminuer, eux aussi, les résistances au frottement et l'usure mécanique des pièces. Ils peuvent aussi remplir d'autres rôles, comme celui d'évacuer une partie au moins de la chaleur ou protéger les pièces mécaniques de la corrosion, notamment de l'oxydation. [0007] Pour protéger les moteurs, les lubrifiants actuels se composent généralement d'une huile de base minérale ou d'un mélange d'huiles de bases minérales et/ou synthétiques (généralement jusqu'à quatre huiles différentes), auxquelles on ajoute des additifs dans une teneur le plus souvent comprise entre 2 et 25% en poids du lubrifiant. Les additifs viennent renforcer les propriétés de l'huile de base, ou lui ajouter des propriétés supplémentaires. On trouve parmi les plus courants les additifs améliorant l'indice de viscosité du lubrifiant, les additifs abaisseurs du point d'écoulement, des additifs dispersants, des additifs détergents, des additifs antioxydants, des additifs anti-usure, des additifs réducteurs de frottement... [0008] Il est ainsi connu des lubrifiants utilisant comme additif modificateur de friction du dithiocarbamate de molybdène ou l'un de ses dérivés. Ce type d'additif agit en formant, par réaction avec les surfaces métalliques, un tribofilm favorisant le glissement des pièces et limitant ainsi leur usure. [0009] Si cet additif est très performant, son utilisation peut s'avérer délicate en association avec des revêtements lubrifiants solides /anti-usure. En effet, si la température d'utilisation de l'huile lubrifiante est généralement connue, la température au niveau du contact glissant est plus difficile à déterminer, et sous l'effet de pression et de forces de cisaillement importants, l'état de surface des surfaces en contact peut être modifié et leur réactivité accrue. Ainsi, lorsqu'une des surfaces frottantes est revêtue d'un revêtement DLC, le tribofilm se forme sur la surface métallique antagoniste, et, sous l'effet du frottement et de l'échauffement, des ruptures de liaison C-H ou C-C peuvent se produire, les radicaux carbone ainsi générés sont susceptibles de réagir avec des oxydes de molybdène adsorbés sur la surface métallique : une consommation de carbone peut ainsi s'amorcer progressivement, aboutissant à une usure dite tribochimique des revêtements DLC. [0010] Une première solution consiste à renoncer aux additifs à base de dithiocarbamate de molybdène quand on utilise des revêtements de type DLC, mais cela signifie devoir renoncer à des additifs de lubrifiant permettant d'obtenir des baisses de frottement remarquables. La seconde consiste à renoncer aux revêtements de type DLC, eux aussi remarquables dans leurs propriétés anti-usure. [0011] Encore une autre solution pour tenter de rendre compatibles ces deux types de produit a été proposée dans la demande de brevet EP- 2 290 119, solution consistant à adapter la formulation du revêtement, auquel on ajoute un élément cristallin. Mais cela revient à redéfinir un nouveau type de revêtement, ce qui est complexe. [0012] L'invention a alors pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a notamment pour but de trouver de nouveaux moyens de rendre compatibles l'utilisation d'huile lubrifiante contenant du dithiocarbamate de molybdène ou l'un de ses dérivés, et celle d'un revêtement du type DLC pour améliorer le contact glissant entre deux pièces mécaniques. [0013] L'invention a tout d'abord pour objet un ensemble d'au moins deux pièces mécaniques métalliques destinées à être en contact glissant l'une vis-à-vis de l'autre, où seules les surfaces antagonistes en contact glissant desdites pièces sont revêtues d'un revêtement anti-usure, ledit revêtement étant à base de carbone graphite. [0014] Dans la suite du texte, et par soucis de concision, on désignera le revêtement à base de carbone graphite indifféremment aussi sous le terme de revêtement « DLC », ou revêtement anti-usure, et on comprendra sous ces appellations un revêtement qui peut comprendre aussi d'autres atomes que du carbone, comme de l'hydrogène ou des dopants, comme expliqué plus haut, et, éventuellement, une ou plusieurs sous-couches, par exemple en métal, notamment à base de titane ou de chrome.). [0015] L'invention propose ainsi une combinaison de deux caractéristiques : - d'une part, au lieu de munir une seule des surfaces antagonistes d'un revêtement de type DLC et laisser l'autre surface métallique nue, comme c'est l'usage, ici on revêt les deux surfaces antagonistes, ceci afin de supprimer, dans la zone de contact glissant, l'opportunité, pour l'additif dithiocarbamate de molybdène ou de l'un de ses dérivés, de s'adsorber sur une surface métallique et de conduire au phénomène de dégradation du revêtement DLC évoqué plus haut, - d'autre part, on prévoit de munir de revêtement que les surfaces où va s'opérer le contact glissant (pour au moins une des pièces mécaniques). On cantonne ainsi au mieux le dépôt du revêtement là où il est vraiment utile, et on évite de déplacer le problème sur d'autres pièces mécaniques en connexion fluidique, vis-à-vis du lubrifiant, avec les pièces impliquées dans le contact glissant relatif considéré. [0016] Avantageusement donc, le contact glissant est lubrifié par un lubrifiant comprenant du dithiocarbamate de molybdène et/ou l'un de ses dérivés. Mais naturellement, l'invention peut aussi s'appliquer dans le cas où on n'utilise aucun lubrifiant, ou un lubrifiant dépourvu d'un tel additif : on peut ainsi standardiser la façon de réaliser un contact glissant, qu'on prévoit ou non d'utiliser un lubrifiant avec du dithiocarbamate de molybdène ou de l'un de ses dérivés. [0017] Selon un mode de réalisation, l'une des pièces mécaniques est un arbre à cames, seules les cames étant revêtues du revêtement anti-usure. [0018] Notamment dans ce cas de figure, les pièces mécaniques associées à l'arbre à cames sont des poussoirs en contact glissant avec les cames de l'arbre à came. Les poussoirs peuvent, eux, être entièrement recouverts de revêtement DLC. [0019] Selon différentes applications, les pièces mécaniques associées appartiennent par exemple au groupe motopropulseur ou à la boîte de vitesse d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile, et sont notamment choisies parmi les arbres à came associés à des poussoirs, des pistons coulissant dans un cylindre et éventuellement associés à des segments, etc... [0020] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de l'ensemble décrit plus haut, où au moins l'une des pièces est monobloc, et où l'on dépose sélectivement sur cette pièce le revêtement anti-usure sur la ou les surfaces destinées à être en contact glissant avec l'une au moins autre pièce. [0021] Pour ce faire, on peut masquer les surfaces de la pièce à ne pas recouvrir de revêtement, puis déposer le revêtement, par exemple sous vide, puis retirer le ou les masques. Les masques peuvent être prévus réutilisables, à la manière de pochoirs, ou non. Il peut s'agir de simples feuilles métalliques conformables et de forme et de dimensions appropriées pour épouser facilement la surface ou les surfaces à ne pas revêtir, même quand celle-ci est de forme tridimensionnelle complexe. Il peut s'agir de masques en contact direct avec la surface à protéger, ou disposés à une certaine distance, notamment selon le procédé de dépôt utilisé. [0022] Selon une autre variante, on peut déposer le revêtement anti-usure sur au moins un composant métallique, et assembler ce ou ces composant(s) une fois revêtu(s) avec au moins un autre composant dépourvu de revêtement pour constituer une pièce mécanique. Dans ce cas de figure, on revête entièrement un composant, sans avoir à prévoir un masquage donc, et on l'assemble par frettage, soudage ou autre technique connue en métallurgie avec un autre composant de surface métallique non revêtue. [0023] On peut, par ailleurs, effectuer un traitement de surface de la(des) zone(s) antagoniste(s) en contact glissant d'au moins une des pièces mécaniques, du type polissage, usinage, avant et/ou après dépôt du revêtement anti-usure. On a vu également plus haut que le dépôt du revêtement DLC peut être précédé par le dépôt d'au moins une sous-couche, de façon connue, afin d'en améliorer l'adhérence. [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'une zone de contact glissant entre deux pièces mécaniques selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe transversale de la partie haute d'un moteur à combustion interne, utilisant deux pièces mécaniques selon l'invention, - la figure 3 représente une vue latérale d'un arbre à came monobloc selon l'invention, - la figure 4 représente le procédé de fabrication d'un arbre à came assemblé selon l'invention, - la figure 5 représente une coupe transversale d'un dispositif de dépôt de revêtement sur les cames de la figure 4 avant assemblage, - la figure 6 représente une vue latérale de l'arbre à came fabriqué selon le procédé de la figure 4. [0025] Toutes ces figures sont extrêmement schématiques afin d'en faciliter la lecture, et les différents composants représentés ne respectent pas nécessairement l'échelle. [0026] La figure 1 est un agrandissement de deux éprouvettes 1,2 en métal, dont les faces en vis-à-vis sont planes et qui sont destinées à se déplacer avec contact glissant selon un même axe X dans des directions opposées, comme indiqué par les flèches. Chacune des faces en contact est, selon l'invention, munie d'un revêtement DLC identique (alternativement, les revêtements DLC destinés à être en vis-à-vis peuvent être différents, notamment en termes d'épaisseurs ou , par exemple, être l'un de type hydrogéné et l'autre pas). Dans cet exemple, ils ont tous deux les caractéristiques suivantes :: épaisseur d'environ 3 et généralement comprise entre 0,5 et 1011m , de type DLC hydrogéné, déposé de façon connue par une technique sous vide du type CVD. Le glissement relatif des deux pièces est facilité par une huile lubrifiante standard, quel que soit le grade de viscosité, dans laquelle a été ajouté du dithiocarbamate de molybdène. [0027] Dans cet exemple, on a ajouté une teneur d'environ 300 ppm de dithiocarbamate de molybdène. De façon générale, on prévoit généralement, selon l'invention, d'incorporer au moins 1 ppm de dithiocarbamate de molybdène, notamment au plus 2% en poids, avec une gamme préférée de teneur comprise entre 100 et 600 ppm. A noter que ces teneurs se comprennent en dithiocarbamate de molybdène et/ou en un de ses dérivés organiques. [0028] II a été vérifié après un nombre élevé de cycles de va-et-vient relatif entre les deux éprouvettes 1 ,2 que les deux revêtements 3,4 restent intacts et que l'effet de lubrification obtenu par l'huile est élevé. On parvient donc à cumuler anti-usure et lubrification sans dégradation des revêtements DLC et sans renoncer au dithiocarbamate de molybdène et de ses dérivés. [0029] On a ensuite appliqué ce principe à l'arbre à cames associée au poussoir de soupape d'un moteur à combustion interne, comme représenté en figure 2 : cette figure représente la partie supérieure d'une culasse 6 du moteur, au-dessus de la chambre de combustion et comprenant deux soupapes 7,8 équipant respectivement un conduit d'amenée de gaz 9 et un conduit d'échappement de gaz 10 et coulissant dans des guides soupape 11, 12 afin de passer d'une position d'obturation du conduit associé à une position d'ouverture du conduit associé. Les soupapes sont actionnées par des cames 13,14 appartenant à un arbre à came monté en rotation (représenté plus loin) par l'intermédiaire de ressorts 15,16 et des poussoirs 17,18. [0030] L'invention est alors appliquée aux deux ensembles came/poussoir, qui interagissent par une interface de contact glissant, selon deux variantes alternatives. [0031] Une première variante de réalisation est expliquée par la figure 3, qui représente un arbre à cames 20 comportant des cames 13. Ici, l'arbre à came est monobloc, réalisé en acier. On vient nettoyer et polir les surfaces des cames 13, puis on vient masquer les zones 21,22,23 de l'arbre disposées entre les cames, qui sont substantiellement des tronçons de cylindre, par des feuilles d'aluminium, de par exemple 1011m d'épaisseur. Ensuite, l'arbre à cames 20 est introduit dans une installation de dépôt sous vide pour dépôt d'un revêtement en DLC, de façon connue, par exemple par CVD. Le revêtement se dépose sur toute la surface de l'arbre à cames, y compris sur les zones 21,22,23 masquées. Après dépôt, les masques sont retirés, et on obtient un arbre à cames 20 dont seules les cames 13 sont revêtues d'un revêtement DLC, de par exemplel à 5 lm d'épaisseur. On recouvre aussi les poussoirs 17,18 soit entièrement, soit uniquement sur le chapeau, du même revêtement ou une variante, soit en les introduisant avec l'arbre à came dans l'installation de dépôt, soit séparément.) [0032] Une deuxième variante est illustrée par les figures 4 à 6. Il s'agit ici de faire un arbre à cames en venant assembler les cames à l'arbre selon le procédé indiqué en figure 4 : - L'étape A consiste à fabriquer un tube en acier, - l'étape B consiste à fabriquer l'arbre 20' à partir du tube en acier, - l'étape C consiste à fabriquer en parallèle les cames 13' en acier par forgeage ou frittage, - l'étape D consiste à effectuer un polissage de la surface des cames 13', - l'étape E consiste à déposer un revêtement DLC sur chacune des cames 13', et - l'étape F consiste à assembler à l'arbre 20' les cames revêtues 13, par exemple par frettage en force. [0033] La figure 5 représente de façon très simplifiée une installation 30 de dépôt sous vide de revêtement DLC, où les cames 13' sont disposées sur des carrousels 31 mus en rotation lors de l'opération de dépôt et assurant un dépôt d'un revêtement uniforme en caractéristiques de composition et en épaisseur. [0034] La figure 6 représente un arbre 20' à cames assemblé selon cette deuxième variante, avec l'arbre 20' en acier non revêtu, et les cames 13' revêtues. [0035] Cette deuxième variante présente l'avantage de pouvoir traiter simultanément un nombre très élevé de cames, et d'éviter d'introduire des arbres volumineux dans une enceinte de dépôt sous vide. En revanche, la première variante peut être plus appropriée pour traiter des pièces de petite taille. [0036] Beaucoup de variantes sont possibles, et sont adaptables en fonction notamment, de la taille et de la géométrie des pièces et de leurs surfaces antagonistes en contact glissant/roulant/frottant. Ainsi, il est possible d'assembler les cames à l'arbre par un système de cannelures puis collage. [0037] On peut choisir de revêtir entièrement les deux pièces mécaniques, n'en revêtir sélectivement qu'une des deux, ou revêtir sélectivement les deux pièces. Le dépôt sélectif peut aussi être fait par une technique de dépôt permettant directement de déposer le revêtement dans la zone voulue, sans masquage.20 REVENDICATIONS1. Ensemble d'au moins deux pièces mécaniques (1,2 ;13,17 ;14,18) métalliques destinées à être en contact glissant l'une vis-à-vis de l'autre, caractérisé en ce que seules les surfaces antagonistes en contact glissant desdites pièces sont revêtues d'un revêtement anti-usure (3,4), ledit revêtement étant à base de carbone amorphe. 2. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le contact glissant est lubrifié par un lubrifiant comprenant du dithiocarbamate de molybdène et/ou l'un de ses dérivés. 3. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des pièces mécaniques est un arbre à cames (20,20'), seules les cames (13,13') étant revêtues du revêtement anti-usure (3,4). 4. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pièces mécaniques associées à l'arbre à cames sont des poussoirs (17,18) en contact glissant avec les cames (13,14) de l'arbre à came (20). 5. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces mécaniques associées appartiennent au groupe motopropulseur ou à la boîte de vitesse d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile, notamment choisies parmi les arbres à came (20,20') associés à des poussoirs (17,18), des pistons coulissant dans un cylindre. 6. Procédé de fabrication de l'ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une au moins des pièces (20) est monobloc et en ce qu'on dépose sélectivement le revêtement anti-usure sur la ou les surfaces (13) de ladite pièce destinée(s) à être en contact glissant avec l'une au moins autre pièce. 7. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on masque les surfaces de la pièce à ne pas recouvrir de revêtement, puis on dépose le revêtement sous vide, puis on retire le ou les masques. 8. Procédé de fabrication de l'ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on dépose le revêtement anti-usure (3,4) sur au moins un composant métallique, et en ce qu'on assemble ce ou ces composant(s) une fois revêtu(s) avec au moins un autre composant dépourvu de revêtement pour constituer une pièce mécanique. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'on fait un traitement de surface de la(des) zone(s) antagoniste(s) en contact glissant d'au moins une des pièces mécaniques, du type polissage, usinage, avant et/ou après dépôt du revêtement anti-usure.