Brevet FR3068428A1 — publié le 20190104

AXE COUPLÉ A UN PALIER, PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN TEL AXE, ET SYSTÈME MÉCANIQUE COMPRENANT UN TEL AXE La présente invention concerne un axe conçu pour être couplé à un palier, notamment au sein d'un système mécanique équipant un moteur thermique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel axe, et un système mécanique comprenant un tel axe. Le domaine de l'invention est celui des systèmes mécaniques équipant les moteurs thermiques, notamment dans le secteur automobile, et comprenant un axe couplé à un palier, tel qu'un axe de piston ou un axe de culbuteur. Le problème principal observé sur ce type de tribosystème, soumis à des sollicitations sévères et répétées, concerne les phénomènes de dégradation des surfaces de contact entre le palier et l'axe le traversant. De manière classique, un axe de piston est réalisé en acier, avec une faible rugosité de surface et un revêtement de DLC (« diamond like carbon » en anglais), tandis que l'alésage du palier est éventuellement équipé d'une bague en alliage cuivreux. En alternative, l'alésage du palier peut être réalisé en acier ou en alliage aluminium. Pour l'axe, les dégradations des surfaces se concrétisent par une usure douce du revêtement qui peut potentiellement dégénérer en grippage. Pour le palier, la dégradation se concrétise par une usure qui conduit à une augmentation du jeu entre les pièces. Lorsque le jeu devient excessif, le moteur devient bruyant et son fonctionnement fini par être dégradé. Ainsi, il est important que les deux surfaces antagonistes ne s'usent pas, afin que le revêtement anti-grippage joue son rôle et que les jeux soient préservés. Pour préserver les jeux, une des difficultés vient du fait que le revêtement antigrippage est plus dur que le palier en matériau métallique, nettement plus mou. Une contrainte industrielle connue pour remédier à ce problème est de minimiser la composante en pic de la rugosité qui peut être qualifiée par le paramètre RPk. Dans l'état de l'art, le revêtement anti-grippage doit avoir un RPk inférieur à 0,08 pm. A ce jour, la dégradation des revêtements type DLC sur les axes n'est pas complétement solutionnée. 2 Pour favoriser la lubrification, il est connu de réaliser dans l'alésage des usinages macroscopiques ayant une fonction de réservoir de lubrifiant, généralement de l'huile. Cela permet d'assurer un apport suffisant d'huile, afin de dissiper les calories générées par friction à l'interface de contact entre l'axe et l'alésage. 5 Par ailleurs, des structurations de surfaces micrométriques peuvent être utilisées pour piéger les débris générés à l'interface de contact. Cela permet de limiter l'usure abrasive liée aux particules provenant de la surface de l'axe ou du palier. FR2974399 décrit un exemple de système mécanique équipant un moteur 10 thermique, et comprenant un axe de piston articulé sur une bielle de vilebrequin. L'axe de piston est pourvu d'un revêtement type DLC et d'une texturation de surface, comprenant un sillon formant un canal de drainage de lubrifiant, et un ensemble de stries croisées. Une telle texturation est complexe et donc coûteuse à réaliser. De plus, ce document ne présente aucun essai démontrant les performances obtenues, ni aucune valeur 15 numérique relative au dimensionnement de la texturation. W02007/031160 décrit un autre exemple de système mécanique équipant un moteur thermique, et comprenant deux éléments dont les surfaces de contact frottent l'une contre l'autre. Le premier élément peut être un tourillon de vilebrequin ou bien un 20 axe de piston, tandis que le second élément est un alésage de bielle. De préférence, l'un des éléments comporte un revêtement de surface ayant des propriétés de lubrification à sec, tandis que l'autre élément comporte des cavités prévues pour recevoir des débris du revêtement et/ou du lubrifiant liquide additionnel. Selon un mode de réalisation particulier, les deux éléments comportent des cavités. 25 Une fois encore, ce document ne présente aucun essai démontrant les performances obtenues. En outre, ce document ne mentionne pas précisément les caractéristiques dimensionnelles des cavités, permettant d'obtenir des performances satisfaisantes en service. 30 Ainsi, les solutions ci-dessus présentent une efficacité qui n'est pas démontrée. En outre, ces solutions peuvent présenter des coûts de réalisation importants. Le but de la présente invention est de proposer une solution satisfaisante en matière de résistance au grippage et à l'usure. 35 3 A cet effet, l'invention a pour objet un axe conçu pour être monté dans un alésage, notamment au sein d'un système mécanique équipant un moteur thermique, en étant soumis à des pressions de contact inférieures à 200 MPa, caractérisé en ce que l'axe comporte au moins une zone pourvue : 5 d'un revêtement de surface anti-grippage, présentant une dureté de surface au moins deux fois supérieure à celle de l'axe, et - d'une microtexturation constituée par un ensemble de microcavités séparées, réparties dans ladite zone. 10 Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison : - Chacune des microcavités présente une plus grande longueur comprise entre 15 et 100 micromètres, et une profondeur comprise entre 50 nm et 100 pm. - Chacune des microcavités présente un rapport de forme inférieur ou égal à 1, 15 défini comme le ratio entre la profondeur et la plus grande longueur. - Les microcavités sont réparties dans ladite zone avec une densité surfacique comprise entre 5 et 30%, cette densité surfacique étant définie comme le ratio de l'aire totale des microcavités sur l'aire totale de ladite zone incluant ces microcavités. - L'ensemble de microcavités présente une même géométrie, avec des 20 dimensions similaires. - L'ensemble de microcavités comprend au moins : un premier type de microcavités présentant une première géométrie ; et un second type de microcavités présentant une seconde géométrie différente de la première géométrie, avec des formes et/ou des dimensions différentes. 25 - Les microcavités sont réparties dans ladite zone selon un motif prédéterminé. - Les microcavités sont réparties dans ladite zone selon un motif aléatoire. - L'axe a une surface entièrement couverte par le revêtement de surface et la microtexturation. - L'axe a une surface comprenant une unique zone localisée couverte par le 30 revêtement de surface et la microtexturation. - L'axe a une surface comprenant plusieurs zones distinctes couvertes par le revêtement de surface et la microtexturation. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un axe tel que 35 mentionné ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend : 4 une étape de revêtement consistant à appliquer le revêtement de surface antigrippage dans ladite zone de l'axe, et - une étape de microtexturation consistant à former l'ensemble de microcavités dans ladite zone. 5 Selon différents modes de réalisation d'un tel procédé : - L'étape de revêtement est réalisée avant l'étape de microtexturation. - L'étape de microtexturation est réalisée avant l'étape de revêtement. - Le revêtement de surface est appliqué uniquement dans ladite zone. 10 - La microtexturation est appliquée uniquement dans ladite zone. - Le revêtement de surface est appliqué au-delà de ladite zone. - La microtexturation est appliquée au-delà de ladite zone. L'invention a également pour objet un système mécanique conçu pour équiper un 15 moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un axe tel que mentionné ci-dessus, et un palier recevant cet axe. Selon différents modes de réalisation d'un tel système mécanique : - Le revêtement de surface anti-grippage de l'axe présente une dureté de surface 20 au moins deux fois supérieure à celle de l'alésage. - L'axe est un axe de piston, logé dans un piston et dans un palier appartenant à une bielle de vilebrequin. - L'axe est un axe de culbuteur logé dans un palier appartenant à un culbuteur. - L'axe est un tourillon logé dans un palier de ligne. 25 - L'axe est un maneton logé dans un palier de tête de bielle. - Les paliers de ligne et de tête de bielle peuvent être équipés de coussinets. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins 30 annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un système mécanique conforme à l'invention, comprenant une bielle et un axe de piston conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue en élévation de l'axe, selon la flèche II à la figure 1 ; - la figure 3 est une section selon la ligne à la figure 2; 35 - la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV à la figure 3; 5 - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, pour un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 4, pour un troisième mode de réalisation de l'invention ; 5 les figures 7 et 8 sont des vues analogues aux figures 2 et 3, pour un quatrième mode de réalisation de l'invention ; les figures 9 et 10 sont des vues analogues aux figures 2 et 3, pour un cinquième mode de réalisation de l'invention ; les figures 11 et 12 sont des vues analogues aux figures 2 et 3, pour un sixième 10 mode de réalisation de l'invention ; - les figures 13 à 18 sont des vues de détail montrant différentes variantes de réalisation de la microtexturation. Sur les figures 1 à 4 est représenté un système mécanique 1 conforme à 15 l'invention, conçu pour équiper un moteur thermique de véhicule automobile. Le système mécanique 1 comprend une bielle 2 et un axe de piston 10, également conforme à l'invention. La bielle 2 comprend une tête de bielle formant un premier palier 3, et un pied de bielle formant un second palier 4, qui comporte une bague en bronze 5 délimitant un 20 alésage cylindrique 6. L'axe de piston 10 est prévu pour être monté dans le palier 4, plus précisément dans l'alésage 6 de la bague en bronze 5. En alternative, le palier 4 peut être dépourvu de bague 5. L'axe 10 est alors directement logé dans l'alésage du palier 4. 25 L'axe de piston 10 comporte une surface externe cylindrique 11 pourvue d'une couche mince de revêtement 20 anti-grippage en carbone amorphe DLC. En alternative, le revêtement 20 peut être en nitrure de molybdène MoN ou Mo2N, ou tout autre matériau anti-grippage. 30 Le revêtement 20 constitue un traitement de durcissement superficiel à fonction tribologique. Le revêtement 20 permet d'améliorer la résistance au grippage de l'axe 10, en comparaison avec un axe non traité. Autrement dit, le revêtement 20 a une surface externe 21 présentant une meilleure résistance au grippage que celle de la surface 11. En outre, le revêtement 20 présente une dureté de surface supérieure à celle de la 35 surface 11 de l'axe 10. De préférence, le revêtement 20 est au moins deux fois plus dur que la surface 11. 6 Egalement, le revêtement 20 présente une dureté de surface supérieure à celle de l'alésage 6 du palier 4. De préférence, le revêtement 20 est au moins deux fois plus dur que le palier 4. Ainsi, le revêtement 20 permet d'éviter le grippage de l'axe de piston 10 dans le 5 palier 4 de la bielle 3. L'axe de piston 10 comporte une sous-couche 18 formée entre la surface 11 et le revêtement 20. A titre d'exemples non limitatifs, la sous-couche 18 peut être composée de chrome ou de nitrure de chrome. 10 L'axe de piston 10 comporte en outre une microtexturation 30 constituée par un ensemble de microcavités 31 (cavités micrométriques) séparées, réparties régulièrement sur la surface 11. La microte)duration 30 est prévue pour réduire la vitesse d'usure de l'axe 10 revêtu et du palier 4. En pratique, réduire la vitesse d'usure constitue un enjeu 15 important pour conserver les propriétés anti-grippage du revêtement 20 et maintenir les jeux entre axe 10 et palier 4, et donc conserver la fonction mécanique. Les microcavités 31 forment un motif discontinu sur la surface 11. Les microcavités 31 présentent une même géométrie, en forme de calotte de section circulaire, délimitant une aire de profondeur décroissante du bord au centre de la calotte. 20 Comme montré à la figure 4, la microtextu ration 30 est formée dans la couche de revêtement 20, de sorte que les microcavités 31 sont ouvertes au niveau de la surface 21 du revêtement 20. Chacune des microcavités 31 présente des dimensions sensiblement égales. Afin d'obtenir les performances recherchées, les microcavités 31 ont un diamètre compris 25 entre 15 et 100 micromètres, et une profondeur comprise entre 50 nm et 100 pm. Lorsque les dimensions sont inférieures ou supérieures, le comportement tribologique de l'axe 10 dans le palier 4 n'est pas satisfaisant. Avantageusement, chacune des microcavités 31 présente un rapport de forme inférieur ou égal à 1. Ce rapport de forme, défini comme le ratio entre la profondeur et la 30 plus grande longueur, est un optimum pour réduire efficacement la vitesse d'usure du revêtement 20 anti-grippage sur l'axe 10 et l'usure du palier 4. En outre, les microcavités 31 sont réparties sur la surface 11 avec une densité surfacique comprise entre 5 et 30%. Cette densité surfacique est définie comme le ratio de l'aire de la surface 11 couverte par les microcavités 31 sur l'aire totale de la surface 35 11. 7 En pratique, la sous-couche 18 est d'abord appliquée sur la surface 11, par exemple par pulvérisation cathodique magnétron réactive ou non réactive. Ensuite, la couche de revêtement 20 est appliquée sur la couche 18, par exemple par dépôt sous vide selon un procédé PVD (Physical Vapour Deposition) ou PACVD 5 (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition). Enfin, la microtexturation 30 est réalisée de manière déterministe à la surface 21 du revêtement 20, selon un procédé LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En alternative, la microtexturation 30 peut être réalisée de manière déterministe 10 par réplication par déformation plastique (par exemple avec un outillage présentant les motifs positifs de la microtexturation à réaliser), par traitement chimique (avec une grille ou un masque), ou toute autre technique permettant d'obtenir les caractéristiques recherchées pour la microtexturation 30, en termes de forme, dimensions, densité et répartition. 15 Sur l'exemple des figures 1 à 4, la surface 11 est entièrement couverte par le revêtement 20 et la microtexturation 30. Autrement dit, la surface 11 entière est susceptible de constituer une zone de frottement 12 pourvue du revêtement 20 et de la microtexturation 30. 20 Une série d'essais a été réalisée sur un banc dédié aux axes de piston, conçu pour simuler le tribosystème axe de piston dans une bielle de vilebrequin d'un moteur thermique. Les essais présentent différentes configurations de matériaux et dimensionnements de microtexturations. Un protocole a été mis en place pour discriminer 25 les différentes solutions testées. Pour chaque essai, l'axe testé est en acier faiblement allié trempé. L'axe et le palier ont un diamètre de 25 mm, avec un jeu diamétral de 20±5 pm. La largeur du palier est de 19 mm. Le palier est muni d'une bague 5 antagoniste de l'axe 10. Certains axes comportent un revêtement en carbone amorphe DLC de type 30 hydrogéné a-C:H, présentant une épaisseur de 2 pm sur une sous-couche de nitrure de chrome de 0,7 pm d'épaisseur. D'autres axes comportent un revêtement en carbone amorphe DLC de type non hydrogéné ta-C, présentant une épaisseur de 0,7 pm sur une sous-couche de Cr d'environ 0,3 pm d'épaisseur. La microtexturation est constituée de microcavités en forme de calottes, réalisées 35 par laser femtoseconde. 8 Les essais sont réalisés dans un environnement chauffé à 180°C, sous une charge de 15 kN, soit une pression de Hertz appliquée de 37MPa, 45MPa et 52 MPa respectivement pour les antagonistes en aluminium, cuivreux et acier ou acier revêtu. La durée de chaque essai est de 4 heures. S Les essais sont détaillés dans les Tableaux 1, 2 et 3 ci-après. Le Tableau 1 montre l'influence des matériaux des surfaces en contact. Plus précisément, il présente le rapport de dureté des matériaux, l'observation des surfaces et 10 le cas échéant les dégradations des revêtements, l'usure de l'axe et/ou du palier. Les surfaces testées ne comportent pas de microtexturations. Le rapport de dureté défini par le ratio de la dureté du revêtement de l'axe et celle du palier varie de 1 à 20. Les différentes configurations de matériaux non texturés présentent toute une non-conformité. Celle-ci peut être liée à une usure du revêtement sur l'axe, lorsque la dureté 15 du revêtement est au moins deux fois supérieure à celle de la surface du palier (essais 1- 3, 5). Pour un rapport de dureté inférieur ou égale à 1, un écaillage du revêtement sur l'axe et une usure du palier sur une profondeur de 15 pm rendent également cette configuration non-conforme (essai 4). Ces exemples illustrent la problématique posée par les surfaces lisses et 20 l'influence du rapport de dureté des antagonistes. Le Tableau 2 montre l'influence de la densité de microtexturation sur l'axe revêtu, avec un rapport de dureté de 8,3 et 16,7 respectivement pour un revêtement a-C:H et un revêtement ta-C, face à un palier en matériau cuivreux. Des microcavités de diamètre 50 25 pm et 500 nm de profondeur sont réalisées sur l'axe. Les densités comprises entre 5 et 30% (essais 6 à 11) montrent une usure très faible ( REVENDICATIONS1. Axe (10) conçu pour être couplé à un palier (4), notamment au sein d'un système mécanique (1) équipant un moteur thermique, en étant soumis à des pressions de contact inférieures à 200 M Pa, caractérisé en ce que l'axe (10) comporte au moins une zone (12) pourvue : - d'un revêtement de surface (20) anti-grippage, présentant une dureté de surface au moins deux fois supérieure à celle de l'axe (10), et - d'une microtexturation (30) constituée par un ensemble de microcavités (31, 32, 33, 34, 35) séparées, réparties dans ladite zone (12). 2. Axe (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des microcavités (31, 32, 33, 34, 35) présente une plus grande longueur comprise entre 15 et 100 micromètres, et une profondeur comprise entre 50 nm et 100 pm. 3. Axe (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des microcavités (31, 32, 33, 34, 35) présente un rapport de forme inférieur ou égal à 1, défini comme le ratio entre la profondeur et la plus grande longueur. 4. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les microcavités (31, 32, 33, 34, 35) sont réparties dans ladite zone (12) avec une densité surfacique comprise entre 5 et 30%, cette densité surfacique étant définie comme le ratio de l'aire totale couverte par les microcavités (31, 32, 33, 34, 35) sur l'aire totale de ladite zone (12) incluant ces microcavités (31, 32, 33, 34, 35). 5. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble de microcavités (31, 32, 33, 34, 35) présente une même géométrie, avec des dimensions similaires. 6. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble de microcavités (31, 32, 33, 34, 35) comprend au moins : - un premier type de microcavités (31) présentant une première géométrie ; et - un second type de microcavités (34; 35) présentant une seconde géométrie différente de la première géométrie, avec des formes et/ou des dimensions différentes. 16 7. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les microcavités (31, 32, 33, 34, 35) sont réparties dans ladite zone (12) selon un motif prédéterminé. 5 8. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les microcavités (31, 32, 33, 34, 35) sont réparties dans ladite zone (12) selon un motif aléatoire. 10 9. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'axe (10) a une surface (11) entièrement couverte par le revêtement de surface (20) et la microtexturation (30). 10. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'axe (10) a 15 une surface (11) comprenant une unique zone (12) localisée couverte par le revêtement de surface (20) et la microtexturation (30). 11. Axe (10) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'axe (10) a une surface (11) comprenant plusieurs zones (12) distinctes couvertes par le 20 revêtement de surface (20) et la microtexturation (30). 12. Procédé de fabrication d'un axe (10) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de revêtement consistant à appliquer le revêtement de surface 25 (20) anti-grippage dans ladite zone (12) de l'axe (10), et - une étape de microtexturation consistant à former l'ensemble de microcavités (31, 32, 33, 34) dans ladite zone (12) de l'axe (10). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de revêtement 30 est réalisée avant l'étape de microtexturation. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de microtexturation est réalisée avant l'étape de revêtement. 17 15. Système mécanique (1) conçu pour équiper un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un axe (10) selon l'une des revendications 1 à 11, et un palier (4) recevant cet axe (10).