Brevet FR3004729A1 — publié le 20141024

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE PIECE EN ACIER FRITTE [0001] L'invention concerne un procédé de traitement d'une pièce en acier fritté, notamment en vue d'en améliorer les propriétés mécaniques. Il peut s'appliquer à tout type de pièces mécaniques, notamment à des pièces mécaniques utilisées dans le domaine automobile. [0002] Il est connu de réaliser des pièces métalliques par frittage, plutôt que par usinage conventionnel, notamment pour des raisons de facilité de production. La technologie de frittage permet en effet d'obtenir des pièces finies avec deux opérations seulement : la compression, puis le frittage. [0003] La compression consiste à mettre la poudre en forme dans un outillage constitué généralement d'une matrice et d'un ou plusieurs poinçons. Le frittage consiste à chauffer la poudre compactée pour créer des liaisons métallurgiques et mécaniques entre les particules de poudre. Par un phénomène de diffusion atomique, les particules se lient entre elles pour former une continuité dans le matériau. [0004] Un écrouissage intense du matériau permet d'augmenter la résistance mécanique des pièces frittées. Il est connu une technique d'écrouissage à froid appelée grenaillage, qui consiste à marteler la surface de la pièce avec de petites billes sphériques. Sous la surface, le matériau comprimé tend à reprendre son volume initial, créant de ce fait des contraintes de compression de forte amplitude. Le recouvrement des empreintes des billes à la surface de la pièce permet d'obtenir une contrainte résiduelle de compression uniforme, qui vient retarder ou bloquer l'initiation de la fissuration. Un grenaillage dit oblique est par exemple décrit dans le document WO 2012/089989. [0005] Cependant, un traitement de grenaillage donne des résultats, en termes de tenue mécanique, qui restent susceptibles d'amélioration. Ainsi, des pièces en acier frittée, et tout particulièrement celles travaillant en roulement, comme des cames d'arbres à cames de moteur, subissent de fortes contraintes : à la fois des contraintes en compression dans le matériau concentrées au voisinage de la surface, et des contraintes en cisaillement à une certaine distance sous la surface. Et notamment dans le cas d'un roulement sans glissement, ces contraintes deviennent assez importantes pour que des microfissures de fatigue s'initient sous la surface. Ces fissures évoluent ensuite vers la surface, formant des cratères qu'on appelle aussi des écailles. On a pu observer deux types d'écaille : les écailles dites profondes, situés entre 20 et 100 lm de la surface de contact, et les petites écailles situées à moins de 10 lm de la surface de contact, écailles dont l'apparition doit être évitée ou limitée au mieux et qu'un traitement par grenaillage classique n'écarte pas entièrement. [0006] L'invention a alors pour but la mise au point d'un traitement de pièces métalliques frittées, notamment en acier fritté, qui en renforce les propriétés mécaniques. Elle vise notamment à améliorer le traitement de type grenaillage connu afin de supprimer, ou tout au moins de retarder, le phénomène d'écaillage à la surface desdites pièces. [0007] L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de traitement d'une pièce en acier fritté par grenaillage, tel que le grenaillage est réalisé pendant une durée au moins égale à 5 fois la durée de recouvrement à 100% de la surface à traiter. [0008] Il s'est avéré en effet, de manière surprenante, que prolonger considérablement le temps de traitement superficiel de la pièce par grenaillage permettait d'obtenir un double effet décrit plus en détails plus loin, à savoir d'une part une densification superficielle, mais également, à l'intérieur de cette zone de surface plus dense, une zone d'épaisseur moindre, en surface, qui est non seulement densifiée mais qui voit aussi sa taille de grains diminuée. Or, il s'avère que la taille des grains a une influence importante sur la tenue sous sollicitation mécanique des pièces frittées : plus la taille de grains est faible, plus la propagation des fissures dans le matériau est difficile, et plus la tenue à la fatigue de la pièce est élevée. Avoir une couche superficielle avec une taille de grain fortement abaissée par rapport au reste de la couche superficielle densifiée, et a fortiori, du reste du matériau sous cette couche superficielle, s'est avérée extrêmement efficace pour lutter contre la formation des écailles, ou tout du moins pour bloquer leur évolution jusqu'à la surface. [0009] De préférence, le grenaillage est réalisé selon l'invention pendant une durée au moins égale à 10 fois la durée de recouvrement à 100% de la surface à traiter. La durée de recouvrement s'estime de façon connue visuellement, notamment en visualisant la disparition des traces d'usinage des surfaces traitées, avec ou sans l'aide d'un outil de grossissement de type microscope. Elle peut être facilitée par le suivi de la disparition d'un marqueur visuel, par exemple ayant des propriétés fluorescentes, recouvrant la surface avant le grenaillage et disparaissant lors de cette opération. [0010] Le recouvrement à 100% est déterminé par itérations, en partant d'un recouvrement insuffisant, où les traces du matériau de base sont encore visibles, et en prolongeant de temps de grenaillage jusqu'à ce qu'aucune parcelle de la surface n'ait échappé au grenaillage. Typiquement, un grenaillage de cames à la buse prend quelques dizaines de secondes pour atteindre un recouvrement à 100%. [0011] Le grenaillage prolongé proposé dans l'invention a typiquement une durée de préférence inférieure à 5 minutes, et avantageusement d'au moins 1 minute. [0012] Selon une variante, le grenaillage selon l'invention est réalisé à une température d'au moins 100°C, notamment d'environ 200°C. Il apjarait qu'a chaud, pour une durée de traitement identique, on parvient à densifier davantage la couche en surface, ainsi qu'a obtenir une taille de grain plus faible en surface. [0013] On peut prévoir des moyens de chauffage de la pièce, spécifiquement dédiés à cette opération de grenaillage. Il est plus avantageux, car plus économe en énergie et en moyens, de faire le traitement de l'invention quand la pièce frittée sort du four de frittage avant qu'elle ne refroidisse en deçà d'une certaine température, comme 200°C. [0014] Le grenaillage selon l'invention crée donc une zone densifiée à la surface de la pièce à traiter, ladite zone densifiée ayant une épaisseur d'au moins 300 11m, notamment d'au plus 1000 11m, notamment d'environ 400 à 600 11m, notamment d'environ 500 [0015] Le grenaillage selon l'invention crée une zone dite « nanostructurée » à la surface de la pièce à traiter d'une épaisseur d'au plus 150 11m, notamment d'environ 100 ladite zone nanostructurée ayant une taille de grains moyenne inférieure à 100 nm, notamment comprise entre 10 et 50 nm. Ces valeurs sont à rapprocher des valeurs de taille de grain moyenne nettement plus élevées dans les pièces d'acier fritté, qui sont plutôt de l'ordre de 50 à 100 lm à coeur (c'est-à-dire dans l'épaisseur du matériau considéré). [0016] De préférence, le grenaillage est réalisé par un dispositif de projection de grenaille en mouvement relatif par rapport à la pièce à traiter, le dispositif de projection restant fixe lors du grenaillage, la pièce à traiter étant mue en rotation en regard dudit dispositif avec alternance du sens de la rotation de la pièce. Avec cette alternance, on garantit mieux une homogénéité de propriétés/caractéristiques de surface de la pièce à traiter. [0017] Avantageusement, le grenaillage selon l'invention peut être suivi d'un traitement de finition, notamment sous forme d'une tribofinition et/ou d'un deuxième grenaillage plus fin que le précédent. On comprend par grenaillage « plus fin », le fait que les billes envoyées en direction de la surface de la pièce à traiter sont d'un diamètre nettement plus petit que dans le cas d'un grenaillage au sens strict, par exemple au moins 3 à 10 fois plus petit. Pour donner un ordre de grandeur, le diamètre des billes lors du grenaillage peut être d'environ 300 lm à 1 mm de diamètre, alors que le diamètre des billes pour le grenaillage « fin » est d'environ 50 à 100 pm. Le traitement de finition, par tribofinition ou grenaillage fin, est destiné à lisser la surface, car le grenaillage qui le précède peut avoir créer/amplifier une certaine rugosité de surface qui peut être trop élevée selon les applications de la pièce. Cette finition n'est pas destinée à retirer de la matière, ou à tout le moins pas de manière significative, car un traitement de finition avec retrait de matière, comme un usinage ou une rectification risquerait de détériorer ou même de détruire la couche superficielle densifiée/ aux grains affinés obtenue par le grenaillage. [0018] L'invention a également pour objet l'application du procédé décrit plus haut au traitement des surfaces de roulement de cames d'arbres à cames. [0019] L'invention a également pour objet une pièce en acier frittée traitée selon le procédé précédemment décrit, et qui présente une zone superficielle densifiée d'épaisseur d'au moins 300 11m, notamment d'environ 500 11m, comprenant elle-même une zone superficielle dite nanostructurée d'au plus 150 lm et ayant une taille de grains moyenne inférieure à 100 nm. [0020] L'invention a également pour objet l'arbre à cames qui comprend des cames en acier fritté dont les surfaces de roulement ont été traitées selon le procédé précédemment décrit, ainsi que le groupe motopropulseur d'un véhicule intégrant un tel arbre à cames, ainsi qu'un véhicule automobile intégrant un tel groupe motopropulseur. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'un exemple de réalisation non limitatif, en relation avec la figure unique. Cette figure, numérotée la et 1 b, est une vue schématique d'un procédé de traitement d'une came d'arbre à came selon la présente invention. [0022] Dans l'exemple qui suit, illustré à l'aide de la figure, l'invention est appliquée à une came 1 d'arbre à cames destiné à équiper un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. La came est en acier fritté (type d'acier F65-U2D2 72 par exemple), et obtenue selon le procédé connu de frittage rappelé en préambule de la présente demande. La came présente un axe de rotation par lequel passe l'arbre à cames une fois la came montée sur l'arbre (non représenté). Elle présente une surface de roulement S qui est une bande sensiblement plane d'environ 1 cm de large. [0023] Selon l'invention, on vient opérer une opération de grenaillage sur la came 1 en sortie de four de frittage, à température ambiante. Le grenaillage s'effectue avec un dispositif de projection de grenaille connu en soi, qui vient projeter des billes sphériques en acier coulé (ou alternativement de fil coupé rodé d'acier), d'environ 0,6 mm de diamètre à une vitesse de l'ordre de 60 à 100 m/s, selon un cône de projection passant par un axe A, de façon à ce que les billes viennent impacter la surface de roulement de la came sensiblement normalement à sa tangente. Le cône de projection est fixe, la came 1 est mue en rotation selon une vitesse uniforme autour de l'axe passant par le point 0 alternativement dans le sens horaire a (figure 1 a) puis dans le sens inverse b (figure lb), par des moyens de mise en rotation non représentés. L'alternance dans le sens de rotation de la came assure une homogénéité de la modification structurelle induite sous la surface de roulement S, dans les deux directions où la came va travailler dans son usage final. La période d'alternance est de par exemple toutes les 20 secondes. La durée du grenaillage consiste à multiplier par 10 la durée de recouvrement de la surface de roulement, durée de recouvrement déterminée sur une première came par visualisation de la disparition complète des traces d'usinage présentes sur la surface de roulement en sortie de frettage. Pour une came usuelle telle que représentée, le temps de recouvrement est de l'ordre de 20 secondes, le temps de traitement selon l'invention choisi est donc de l'ordre de 200 secondes. [0024] Le martèlement selon l'invention, nettement plus long que celui préconisé dans les opérations de grenaillage connues, permet d'atteindre une modification de surface avantageuse et inattendue. [0025] D'une part, il a été observé une densification de la couche de matériau sous- jacente à la surface de roulement S sur une épaisseur d'environ 500 um, de façon à atteindre une densité localement proche de celle de l'acier usiné de façon conventionnelle, à savoir proche de 2,7, alors que le reste du matériau, à coeur, est d'une densité d'au plus 7. [0026] D'autre part, il a été observé que, dans cette couche sous-jacente, s'est créée une couche contiguë à la surface de roulement, d'une épaisseur d'environ 100 um, qui est non seulement densifiée, mais qui présente aussi une taille de grains inférieure au reste de la couche sous-jacente : une « nanostructuration » s'est opérée, avec une diminution de la taille de grains à quelques dizaines de nanomètres, notamment d'environ 20 à 50 nm. Le grenaillage poussé selon l'invention a donc eu pour effet de casser les grains superficiellement, sur une épaisseur qui est sensiblement la profondeur de la contrainte de cisaillement maximale lors d'une sollicitation de la came en roulement. Les grains plus fins ont tendance à rendre l'amorçage et la propagation des fissures beaucoup plus difficiles, de par le nombre de joints de grains à franchir par l'éventuel début de fissure. [0027] Alternativement, le grenaillage poussé selon l'invention peut être effectué sur les cames en sortie de four de frettage, à chaud, quand les cames ont encore une température élevée, par exemple quand les cames sont à une température d'environ 200°C. [0028] L'indication des épaisseurs de la couche superficielle densifiée contenant la couche plus fine nanostructurée, ainsi que les indications de densité et de taille de grain sont à comprendre comme des valeurs moyennées : il n'y a pas de frontière nette, ni entre la couche nanostructurée et le reste de la couche densifiée, ni entre la couche densifiée et le reste du matériau. Il n'y a pas non plus de modification brusque de taille de grain et de densité, du fait de ces interfaces diffuses, et de l'évolution progressive des caractéristiques de la couche sous la surface traitée. [0029] A noter que, notamment dans le cas de la came objet de l'exemple, il est préférable que la surface de roulement subisse ensuite une tribofinition pour atteindre en surface une rugosité faible nécessaire à son usage. [0030] Après traitement, les propriétés mécaniques de la came sont très sensiblement améliorées : Il n'y a plus ou quasiment plus de phénomène d'écaillage. On note un gain sur les propriétés mécaniques : jusqu'à 40% de gain en limite conventionnelle d'élasticité du matériau (test connu où l'on applique une charge sur le matériau puis on l'enlève, le matériau élastique revenant à sa forme initiale, mais au-delà de la limite d'élasticité mentionnée précédemment, le matériau garde une déformation rémanente), et en résistance à la traction (correspondant de façon connue à la contrainte maximale que le matériau peut supporter et au-delà de laquelle il va y avoir rupture). La limite d'élasticité et la résistance à la traction sont mesurées de façon connue par des tests de traction sur des éprouvettes. [0031] On note également un gain en résistance à la fatigue du matériau. [0032] II est également envisageable d'appliquer le traitement selon l'invention à des métaux ou alliages métalliques autres que l'acier. [0033] Dans l'exemple choisi ici d'une came, on voit que le traitement n'a affecté qu'une surface particulière de la came, celle sollicitée mécaniquement en glissement. Naturellement, pour d'autres pièces mécaniques, on pourra selon les besoins ne traiter que localement la surface de la pièce, ou sa totalité. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'une pièce (1) en acier fritté par grenaillage, caractérisé en ce que le grenaillage est réalisé pendant une durée au moins égale à 5 fois la durée de recouvrement à 100% de la surface à traiter. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le grenaillage est réalisé pendant une durée au moins égale à 10 fois la durée de recouvrement à 100% de la surface à traiter. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenaillage est réalisé à une température d'au moins 100°C, notamment d'environ 200°C. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenaillage crée une zone densifiée à la surface (S) de la pièce (1) à traiter, ladite zone densifiée ayant une épaisseur d'au moins 300 11m, notamment d'environ 500 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenaillage crée une zone dite nanostructurée à la surface (S) de la pièce (1) à traiter d'une épaisseur d'au plus 150 11m, notamment d'environ 100 11m, ladite zone nanostructurée ayant une taille de grains moyenne inférieure à 100 nm, notamment comprise entre 10 et 50 nm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenaillage est réalisé par un dispositif de projection de grenaille en mouvement relatif par rapport à la pièce (1) à traiter, le dispositif de projection restant fixe lors du grenaillage, la pièce à traiter étant mue en rotation en regard dudit dispositif avec alternance du sens de la rotation (a,b) de la pièce. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenaillage est suivi d'un traitement de finition, notamment sous forme d'une tribofinition et/ou d'un deuxième grenaillage plus fin que le précédent. 8. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes au traitement des surfaces de roulement de cames (1) d'arbres à cames. 9. Pièce en acier frittée traitée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une zone superficielle densifiée d'épaisseur d'au moins 300 notamment d'environ 500 pm, comprenant elle-même une zone superficielle ditenanostructurée d'au plus 150 lm et ayant une taille de grains moyenne inférieure à 100 nm. 10. Arbre à cames caractérisé en ce qu'il comprend des cames en acier fritté dont les surfaces de roulement (S) ont été traitées selon l'une des revendications 1 à 7.