Brevet FR3001231A1 — publié le 20140725

Procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique, et élément mécanique correspondant La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément mécanique de moteur à combustion interne, en particulier un poussoir de soupape. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique tel qu'un poussoir de soupape. Les déplacements des cames et leur venue en contact répétée sur les poussoirs des soupapes sont susceptibles de provoquer une usure rapide par frottement du poussoir. Par ailleurs, les pertes énergétiques associées à ces frottements conduisent également à augmenter la consommation en carburant du moteur à combustion interne, et donc les émissions de CO2. Il est connu de réaliser les poussoirs de soupape en acier carbonitruré ou en acier carbonitruré recouvert d'un revêtement dit « DLC » (en anglais : «Diamond Like Carbon »). Le revêtement DLC est constitué de différentes couches minces possédant une grande variété de structures. Cependant, dans le cas des soupapes en acier carbonitruré, on obtient un niveau d'usure au niveau du poussoir qui n'est pas totalement satisfaisant, tandis que les soupapes en acier carbonitruré avec revêtement DLC présentent un coût élevé. Il est également connu d'appliquer des traitements de surface pour modifier les propriétés surfaciques d'éléments mécaniques, comme décrit dans les documents FR 2 812 888, CN 102198591 ou KR100440876. Cependant, aucun des documents ne divulgue un procédé de traitement permettant de diminuer le frottement d'un élément mécanique. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier l'invention a pour but de proposer un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour élément mécanique en acier, permettant d'obtenir un coefficient de frottement plus faible. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement de surface, notamment un procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique de moteur à combustion interne réalisé en acier, notamment un poussoir de soupape, comprenant : - une étape d'oxynitrocarburation de la surface de l'acier, puis - une étape de polissage de surface, par exemple par brossage, de l'acier. La combinaison d'une étape d'oxynitrocarburation et d'une étape de polissage de surface, permet notamment de conférer à l'élément mécanique un coefficient de frottement très faible proche de celui d'un revêtement DLC, avec un procédé pouvant être facilement mis en oeuvre. Ce résultat résulte de la diffusion en surface d'azote, de carbone et d'oxygène, conduisant à une couche de combinaison d'environ 101.1m présentant un niveau de frottement particulièrement favorable, notamment dans le cas de poussoirs de soupape. L'étape de polissage finale permet par ailleurs d'améliorer les propriétés de la couche de combinaison en écrêtant les pics de rugosité éventuellement présents, et donc d'obtenir un état de surface amélioré, diminuant encore plus le coefficient de frottement. L'étape d'oxynitrocarburation peut comprendre un chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone, par exemple un mélange d'ammoniac et de méthanol. L'étape d'oxynitrocarburation peut également comprendre également une étape ultérieure de chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère oxydante. L' étape d' oxynitrocarburation gazeuse de l'élément mécanique permet de faciliter la mise en oeuvre du procédé, notamment lorsque celui comprend déjà une étape de carbonitruration. L'étape de chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone peut durer entre 1 heure et 4 heures et l'étape ultérieure de chauffage dans une atmosphère oxydante peut durer quelques minutes. Préférentiellement, le procédé comprend également une étape de carbonitruration avant l'étape d'oxynitrocarburation. Il est ainsi aisément possible, à partir d'un même flux d'éléments mécaniques, de fabriquer des éléments carbonitrurés, des éléments carbonitrurés avec un revêtement DLC et des éléments oxynitrocarburés selon la présente invention. L'étape de carbonitruration peut comprendre un chauffage, par exemple entre 700°C et 1100°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone, par exemple de l'ammoniac et du propane. Le chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone peut durer entre 1 heure et 4 heures. L'étape de carbonitruration peut comprendre également une étape ultérieure de trempe, par exemple une trempe dans un bain d'huile. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un élément mécanique de moteur à combustion interne en acier, par exemple poussoir de soupape, comprenant, en surface : une couche comportant des nitrures de fer, et une couche surfacique d'oxyde de fer Fe304. L'épaisseur de la couche de nitrures de fer peut être comprise entre 5 et 201am. L'épaisseur de la couche surfacique d'oxyde de fer peut être inférieure à 51am. La surface de l'élément peut présenter un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra mesuré selon la norme IS04287 inférieur à 0,401am, de préférence compris entre 0,11am et 0,21.1m. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, illustré par la figure annexée représentant, une coupe d'une soupape d'échappement d'un moteur à combustion interne. On a représenté sur la figure unique une portion de culasse 1 de moteur à combustion interne. La culasse 1 comporte un conduit d'échappement 2 qui permet de faire communiquer la chambre de combustion du moteur avec le collecteur d'échappement (non représenté) du moteur. Le conduit d'échappement 2 est susceptible d'être obturé par une soupape d'échappement 3 qui est guidée axialement dans un guide de soupape 4 agencé dans la culasse 1 du moteur. La soupape 3 est montée mobile suivant son axe de déplacement, qui est ici vertical. La soupape 3 comporte une tige de soupape 5 et une tête de soupape 6 qui obture le conduit d'échappement 2 lorsque la soupape 3 occupe sa position fermée, et un poussoir 7. La tête de soupape 6 est montée à une extrémité de la tige de soupape et comporte une portée 8 qui est prévue pour venir en appui axial contre un siège de soupape 9 complémentaire agencé dans la culasse 1, lorsque la soupape 3 occupe sa position fermée. Le siège 9 est ici rapporté dans le conduit d'échappement 2. Le poussoir 7 est monté au niveau de la queue de la soupape 3. Le poussoir 7 comporte une surface d'appui 10 venant en contact avec une came de l'arbre à cames, et une jupe cylindrique 11 venant en contact avec la culasse du moteur 1. Un ressort de fermeture 12 est disposé à l'intérieur de la jupe cylindrique 11, et est monté en compression entre la culasse 1 et une coupelle de pression 13 de la soupape 3. Bien entendu, l'invention s'applique aussi bien à une soupape d'admission qu'à la soupape d'échappement 3. On décrit maintenant le procédé de fabrication du poussoir 7 de soupape. Le poussoir 7 est réalisé par exemple en acier 16MnCr5. La forme générale du poussoir 7 est obtenue par des étapes classiques de fabrication faisant appel, par exemple, au forgeage et à l'usinage. Le procédé de fabrication du poussoir 7 comporte ensuite des étapes qui permettent de donner au poussoir 7 sa forme définitive, avant son montage sur la soupape 3, dans le moteur. De manière classique, le procédé comporte une étape dite de carbonitruration, au cours de laquelle le poussoir est traité par enrichissement en carbone et azote. L'étape de carbonitruration vise à augmenter la dureté du poussoir 7, et plus particulièrement de la surface d'appui 10 sur laquelle vient en contact la came actionnant la soupape 3. L'étape de carbonitruration est réalisée par exemple sous atmosphère gazeuse, par exemple d'ammoniac et de propane. Elle comprend une phase de montée en température, une phase d'enrichissement de l'acier sous l'atmosphère gazeuse, puis une phase de trempe, par exemple à l'huile. La phase de montée en température permet de chauffer l'acier du poussoir 7 à une température comprise entre 700°C et 1100°C, de préférence entre 850°C et 950°C. Puis, le traitement sous atmosphère gazeuse est effectué, durant une période pouvant durer entre quelques minutes à plusieurs heures, de préférence entre 1 heure et 4 heures, plus préférentiellement entre 2 heures et 3 heures. Enfin, la trempe est effectuée dans de l'huile, par exemple à une température comprise entre 100°C et 200°C, de préférence entre 120°C et 180°C. Au cours de la carbonitruration, l'apport superficiel d'azote forme, dans le matériau constituant le poussoir 7, une couche périphérique nitrurée, qui comporte une couche dite de combinaison et une couche dite de diffusion. La couche de combinaison peut présenter une épaisseur comprise entre 51.1m et 201am. La couche de combinaison peut comprendre des nitrures c et a'. L'étape de carbonitruration du poussoir 7 peut être réalisée sur une chaine de fabrication de poussoirs de soupape, indépendamment des propriétés mécaniques spécifiques voulues pour certains d'entre eux. Ainsi, des poussoirs carbonitrurés peuvent être montés directement sur certains moteurs à combustion interne, tandis que d'autres peuvent faire l'objet d'un dépôt de revêtement DLC. Enfin, d'autres poussoirs sont traités selon le procédé de la présente invention par une étape d' oxynitrocarburation. Cependant, il convient de noter qu'il est également possible de traiter directement le poussoir 7 en acier par oxynitrocarburation, sans effectuer nécessairement une étape de carbonitruration préalablement. L'étape d'oxynitrocarburation constitue donc une étape pouvant être ajoutée dans un processus de fabrication de poussoirs de soupape, selon les propriétés voulues. L'étape d'oxynitrocarburation est réalisée par exemple sous atmosphère gazeuse, par exemple d'ammoniac et de méthanol. Elle comprend une phase de montée en température, une phase d'enrichissement de l'acier sous l'atmosphère gazeuse, puis une phase d' oxydation. La phase de montée en température permet de chauffer l'acier du poussoir 7 à une température comprise entre 400°C et 700°C, de préférence entre 500°C et 600°C. Puis, le traitement sous atmosphère gazeuse est effectué, durant une période pouvant durer entre quelques minutes à plusieurs heures, de préférence entre 1 heure et 4 heures, plus préférentiellement entre 2 heures et 3 heures. Enfin, une phase d'oxydation est effectuée sous une atmosphère comprenant de l'oxygène, pendant quelques minutes, par exemple entre 1 minute et 40 minutes. Le poussoir est ensuite refroidi de manière standard, par exemple à température ambiante. L'oxynitrocarburation conduit à la formation d'une couche superficielle d'oxyde Fe304. La couche d'oxyde peut présenter une épaisseur de quelques microns, par exemple entre li.tm et 51am. Selon l'invention, l'étape d'oxynitrocarburation est suivie d'une étape de polissage visant à améliorer l'état de surface du poussoir, tout en conservant une couche superficielle d'épaisseur suffisante pour minimiser le coefficient de frottement de la surface d'appui 10 du poussoir 7. En particulier, l'étape de polissage permet de conférer au poussoir un coefficient de frottement très faible, semblable à celui d'un revêtement DLC. Le polissage est effectué de préférence par brossage de la surface d'appui 10 et éventuellement de la jupe 11 du poussoir 7. Le polissage permet d'écrêter les pics de rugosité de la couche superficielle de l'acier, donnant un état de surface global amélioré et donc un coefficient de frottement plus faible. En particulier, le poussoir peut présenter, après polissage, une surface ayant un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra (mesuré selon la norme ISO 4287) compris entre 0,1um et 0,4um, de préférence compris entre 0,1um et 0,2um. On obtient ainsi un poussoir de soupape présentant une rugosité améliorée, et donc un coefficient de frottement plus faible, limitant ainsi d'une part l'usure du poussoir mais également les pertes énergétiques. En particulier, le procédé selon l'invention permet d'obtenir des états de surface proches de ceux obtenus avec un revêtement DLC, pour un coût plus faible. Par ailleurs, le procédé, facile à mettre en oeuvre, peut s'insérer dans une chaîne de traitement de poussoirs de soupape, parmi d'autres traitements de surface, et peut être utilisé selon les besoins spécifiques à certains poussoirs. Enfin, le procédé peut être mis en oeuvre pour d'autres éléments mécaniques en acier sollicités à l'usure, par exemple des pièces de moteurs ou de boîtes de vitesses. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement thermochimique de diffusion pour un élément mécanique de moteur à combustion interne réalisé en acier, notamment un poussoir (7) de soupape (3), comprenant : - une étape d'oxynitrocarburation de la surface de l'acier, puis - une étape de polissage de surface, par exemple par brossage, de l'acier. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape d'oxynitrocarburation comprend un chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone, par exemple un mélange d'ammoniac et de méthanol. 3. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape d'oxynitrocarburation comprend également une étape ultérieure de chauffage, par exemple entre 400°C et 700°C, de l'acier dans une atmosphère oxydante. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape de chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote, d'oxygène et de carbone dure entre 1 heure et 4 heures et dans lequel l'étape ultérieure de chauffage dans une atmosphère oxydante dure quelques minutes. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant également une étape de carbonitruration avant l'étape d' oxynitrocarburation. 6. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape de carbonitruration comprend un chauffage, par exemple entre 700°C et 1100°C, de l'acier dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone, par exemple de l'ammoniac et du propane. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel le chauffage dans une atmosphère comprenant des atomes d'azote et de carbone dure entre 1 heure et 4 heures. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7 dans lequel l'étape de carbonitruration comprend également une étape ultérieure de trempe, par exemple une trempe dans un bain d'huile. 9. Elément mécanique de moteur à combustion interne en acier, par exemple poussoir (7) de soupape (3), comprenant, en surface : une couche comportant des nitrures de fer, et une couche surfacique d'oxyde de fer Fe304. 10. Elément selon la revendication 9 dans lequel l'épaisseur de la couche de nitrures de fer est comprise entre 5 et 201am, et dans lequel l'épaisseur de la couche surfacique d'oxyde de fer est inférieure à 51am. 11. Elément selon la revendication 9 ou 10 dans lequel la surface de l'élément présente un écart moyen arithmétique du profil de rugosité Ra mesuré selon la norme 1804287 inférieur à 0,401am, de préférence compris entre 0,11am et 0,21.1m.20