Brevet FR3082446A1 — publié le 20191220

- 1 - PROCEDE DE TEXTURATION D'UNE SURFACE SOLLICITEE EN FROTTEMENT LUBRIFIE ET SURFACE AINSI OBTENUE L'invention a trait au domaine des traitements de surfaces et plus particulièrement aux procédés de texturation qui permettent de réduire le 5 frottement et l'usure des pièces du groupe motopropulseur fonctionnant en régime lubrifié. Les développements qui tendent à réduire la cylindrée (downsizing en anglais), et dont l'objectif est de diminuer les émissions de CO2, conduit en effet à des conditions de fonctionnement sévères des organes mécaniques 10 susceptibles d'accroître le frottement et l'usure des pièces en mouvement relatif (contact segment-piston-chemise, ligne d'arbre de vilebrequin, distribution, roulements ...). Quatre familles de procédés sont actuellement proposées commercialement pour la production de surfaces texturées. Il s'agit des 15 procédés mécaniques, des procédés lithographiques, des procédés par faisceaux d'énergie et des procédés de revêtement. Parmi les procédés mécaniques, le grenaillage est par exemple utilisé pour le traitement des rouleaux de laminoirs assurant la mise en forme des tôles métalliques. Cette catégorie de méthodes de texturation n'est 20 cependant pas adaptée aux surfaces des contacts fonctionnant en régime élasto-hydro-dynamique. En effet, la génération des motifs se traduit systématiquement par l'abrasion, l'indentation, ou encore la déformation plastique du matériau. Ses propriétés mécaniques sont localement modifiées, et des amorces de fissuration peuvent également être induites 25 par le procédé. De plus, ces techniques restent très difficilement applicables aux matériaux présentant une très grande dureté superficielle. Les procédés utilisant la lithographie sont notamment très utilisés pour les besoins de l'industrie des systèmes micro-électromécaniques (MEMS), en particulier pour le micro-usinage des substrats en silicium. Usuellement, 30 un masque définissant la micro-géométrie requise est déposé sur la surface par lithographie. - 2 - L'élément est ensuite plongé durant un temps déterminé dans un produit chimique, qui réalise une attaque isotrope ou anisotrope (selon la nature du produit réactif) des zones de la surface non protégées par le masque. Ces techniques permettent une grande liberté dans le choix des micro-géométries, qui sont obtenues avec une très grande précision et résolution dimensionnelles. Cependant, elles se limitent à un nombre très restreint de matériaux, qui ne concernent pas les pièces en frottement du groupe motopropulseur. 1.13 Les procédés basés sur l'utilisation d'un faisceau d'énergie pour réaliser l'enlèvement de matière présentent l'avantage de permettre un usinage sans contact. A titre d'exemple, il est possible de générer une texturation stochastique en faisant usage de petites décharges électriques générées à la surface du composant à traiter. Les lasers sont aussi employés 15 industriellement, et suscitent un intérêt croissant depuis une dizaine d'années dans le domaine de la tribologie. En particulier, les lasers à faisceaux impulsionnels sont très prometteurs. Cependant, ce mode d'enlèvement de matière induit des changements 20 d'état physique du matériau au voisinage de chacun des motifs réalisés, se traduisant par un ensemble de zones thermiquement affectées. Si ces altérations locales des propriétés physiques de la surface n'ont pas de conséquences majeures sur le fonctionnement des interfaces subissant des sollicitations faibles ou modérées, elles ne sont plus acceptables pour les 25 contacts à hautes pressions. De plus, ces technologies restent pour la plupart très couteuses pour des applications de grande série. Des procédés de revêtements se sont également développés et permettent d'obtenir des résultats améliorés. Dans le cas de certaines applications telles que les chemises de cylindre 30 de moteur à combustion interne, des avancées ont permis de réaliser directement les chemises par projection thermique ou projection à froid (cold-spray) sur la paroi interne du cylindre. - 3 - Les chemises ainsi réalisées présentent des états de surface dotés d'une porosité apte à coopérer avec un lubrifiant. Toutefois, ces procédés présentent un surcoût du fait du revêtement à déposer. C'est pourquoi, la présente invention a en particulier pour objectif de réduire ou contourner les inconvénients précédemment exposés, et plus particulièrement de proposer une solution qui comporte un minimum de risque d'endommagement pour la surface traitée, et qui reste abordable en terme de coût et efficace. Elle propose à cet effet un procédé de texturation d'une surface 10 sollicitée en frottement lubrifié, comprenant une étape de projection de particules provoquant une déformation plastique de la surface durant l'impact, dans laquelle : - les particules projetées ont un indice de sphéricité moyen compris entre 0,80 et 0,90, et préférablement sensiblement égal à 0,86, 15 - les particules projetées ont un diamètre inférieur à 200 microns, - l'angle d'incidence alpha des particules sur la surface est compris entre 15° et 90°. De cette façon, le procédé permet de limiter le chevauchement de deux cratères, avec une probabilité de chevauchement inférieure à 10 %. 20 Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après. Selon certaines caractéristiques additionnelles, 33% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,9 et 25% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,8. 25 Selon d'autres caractéristiques additionnelles, les particules projetées sont des particules choisies parmi les particules de céramiques, verre ou aciers. Selon d'autres caractéristiques encore, la projection des particules est assurée par au moins une buse ainsi que des moyens pour mettre en 30 translation et/ou rotation ladite buse par rapport à ladite surface sollicitée en frottement lubrifié. - 4 - Selon d'autres caractéristiques encore, la surface sollicitée en frottement lubrifié est un segment de piston d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement un segment coup de feu. Selon d'autres caractéristiques encore, la surface sollicitée en s frottement lubrifié est une chemise de cylindre d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement la zone de point mort haut, ou bien la zone de point mort bas. L'invention a également pour objet une surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon un procédé conforme à l'invention. 10 Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après. Selon certaines caractéristiques additionnelles, la surface présente des cratères de forme ellipsoïdale, répartis de façon aléatoire mais homogène. Selon d'autres caractéristiques, la surface présente une probabilité de 15 chevauchement de deux cratères inférieure à 10%. Selon d'autres caractéristiques encore, lesdits cratères ont : - une profondeur comprise entre 0,5 et 5 pm, - un petit axe et un grand axe compris entre 15 et 75 pm, - une densité surfacique comprise entre 1 et 10%. 20 D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : La figure 1 est une vue de côté schématique de la mise en oeuvre d'un procédé de texturation suivant l'invention. 25 La figure 2 est un diagramme comparatif explicitant le coefficient de frottement d'une surface texturée selon l'invention et celui d'une surface brute. La figure 3 est une vue schématique en coupe du contact lubrifié entre une chemise de cylindre et un segment. - 5 - A des fins de clarté et de concision, les références sur les figures correspondent aux mêmes éléments. Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant 5 qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette 10 sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. 15 La figure 1 représente une vue de côté schématique de la mise en oeuvre d'un procédé de texturation suivant l'invention. Il est représenté une pièce de révolution définissant une surface cylindrique intérieure 10 qui comporte une zone supérieure 11 et une zone inférieure 12. 20 Deux buses 20 et 21 projettent respectivement sur la zone inférieure 12 et sur la zone supérieure 11 des particules, de manière à provoquer une déformation plastique de la surface durant l'impact. Conformément au procédé, les particules projetées ont un indice de sphéricité moyen compris entre 0,80 et 0,90, et préférablement 25 sensiblement égal à 0,86. De plus, les particules projetées ont un diamètre inférieur à 200 microns. Enfin, l'angle d'incidence alpha des particules sur la surface est compris entre 15° et 90°. - 6 - Selon une configuration préférée, 33% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,9 et 25% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,8. De manière préférentielle, les particules projetées sont des particules choisies parmi les particules de céramiques, verre ou aciers. La projection des particules peut être assurée par une buse ou plusieurs buses 20, 21 selon la géométrie de la surface à traiter. De préférence, il est avantageux d'associer une buse par zone à traiter. Dans le cas présent chacune des buses est associées à l'une des zones inférieure ou supérieure. L'équipement de texturation utilisé peut avantageusement correspondre à celui décrit dans la demande N° JP4612095. Cet équipement présente l'avantage de réguler de façon indépendante le débit et la vitesse des particules de projection. De cette manière, on contrôle la taille (diamètre et profondeur) et la densité surfacique des cratères générés. L'équipement de texturation comporte préférentiellement des moyens pour mettre en translation et/ou rotation la ou les buses par rapport à ladite surface sollicitée en frottement lubrifié. De préférence, l'équipement de texturation comprend des moyens de contrôle pour piloter à la fois une rotation multiaxiale et une translation. De cette façon, il est possible de traiter des surfaces internes ou externes mais aussi planes ou incurvées. La rotation et la translation peuvent être appliquées soit à la pièce, soit à l'équipement de projection. A titre d'exemple, l'équipement peut comprendre un ensemble motorisé (non représenté sur la figure) doté d'un arbre disposé sensiblement co-axialement à l'axe de révolution de la surface cylindrique 10. Cet ensemble motorisé comprend alors également deux moteurs électriques reliés mécaniquement à l'arbre de façon que l'un des moteurs - 7 - électriques puisse entraîner l'arbre en translation suivant l'axe de révolution de la surface cylindrique 10, et l'autre moteur électrique entraîne en rotation l'arbre autour de l'axe de révolution. En termes d'application, la surface sollicitée en frottement lubrifié peut être un segment de piston d'un moteur à combustion interne 30, et plus particulièrement un segment coup de feu. En termes d'application, la surface sollicitée en frottement lubrifié peut aussi être une chemise 10 de cylindre d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement la zone de point mort haut 11, ou bien la zone de point 10 mort bas 12. En effet, dans un système tribologique cylindre / piston, le frottement est majoritairement rencontré sur les segments coup de feu et racleur, ainsi qu'au niveau du Point mort haut et du Point mort bas. Selon le principe même de l'invention et tel que représenté en figure 15 3, le procédé de texturation permet d'obtenir une surface texturée comportant des cratères 13 de forme ellipsoïdale, répartis de façon aléatoire mais homogène. La figure 3 représente le contact d'un système chemise 10 et segment de piston 30. A l'interface, il apparaît que les indentations 14 issues du 20 rodage ne permettent pas un stockage et une accroche suffisants pour le lubrifiant. Les cratères 13 formés à la surface de la pièce texturée servent de réserve d'huile et modifient ainsi le régime de lubrification du système du régime limite au régime mixte voire hydrodynamique. 25 Selon le principe même de l'invention également, le procédé de texturation permet aussi d'obtenir une surface texturée présentant une probabilité de chevauchement de deux cratères inférieure à 10%. Selon une réalisation optimale de la texturation, les cratères ont : - une profondeur comprise entre 0,5 et 5 pm, 30 - un petit axe et un grand axe compris entre 15 et 75 pm, - une densité surfacique comprise entre 1 et 10%. - 8 - La figure 2 est un diagramme comparatif explicitant le coefficient de frottement d'une surface texturée selon l'invention et celui d'une surface brute. Les marquages avec une croix représentent une surface texturée selon l'invention, et les points se rapportent à une surface non traitée. Tel que représenté en figure 2, les essais réalisés sur tribomètre permettent d'observer des gains substantiels en termes de réduction du frottement dans des conditions de sollicitation à haute température (à partir de 140°C). La baisse du frottement est comprise entre 15 et 30% selon la température de fonctionnement et la pression de contact. 10 De plus, avec des surfaces texturées, le frottement est considérablement réduit lors de la phase de rodage des pièces. Ce qui présente un avantage pour l'accommodation des surfaces en contact lors du démarrage. Dans l'application piston / chemise, le procédé de texturation selon 15 l'invention permet de réduire le frottement et l'usure des contacts lubrifiés dans la zone segment / piston / chemise. Ces cratères permettent de : - créer une réserve d'huile dans les contacts sous-alimentés en lubrifiant, - augmenter localement la pression hydrodynamique de l'huile 20 conduisant à une augmentation de l'épaisseur du film d'huile à l'interface, - piéger les débris. Comparé à d'autres procédés de texturation, le procédé selon l'invention présente les avantages suivants : 25 très peu coûteux - très rapide (de quelques dixièmes à quelques secondes par pièces) réglage process machine très simple - possibilité de traiter des pièces complexes et de grandes dimensions - profil de texturation aléatoire - 9 - Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, l'invention est applicable sur des pièces non revêtues ou en préparation de pièces avant un revêtement du type « couches minces ». Il est également possible de l'appliquer après application de revêtements écrouissables. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention REVENDICATIONS1 - Procédé de texturation d'une surface sollicitée en frottement lubrifié (10, 11, 12, 30), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de projection de particules provoquant une déformation plastique de la surface durant l'impact, et dans laquelle : Les particules projetées ont un indice de sphéricité moyen compris entre 0,80 et 0,90, et préférablement sensiblement égal à 0,86, Les particules projetées ont un diamètre inférieur à 200 microns, L'angle d'incidence alpha des particules sur la surface est compris entre 15° et 90° 2 - Procédé de texturation d'une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que 33% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,9 et 25% des particules projetées ont un indice de sphéricité inférieur à 0,8. 3 - Procédé de texturation d'une surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules projetées sont des particules choisies parmi les particules de céramiques, verre ou aciers. 4 - Procédé de texturation d'une surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la projection des particules est assurée par au moins une buse (20, 21) ainsi que des moyens pour mettre en translation et/ou rotation ladite buse par rapport à ladite surface sollicitée en frottement lubrifié. 5 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon un procédé 25 conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface sollicitée en frottement lubrifié est un segment de piston d'un moteur à combustion interne (30), et plus particulièrement un segment coup de feu. 7 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface sollicitée en frottement lubrifié est une 5 chemise de cylindre d'un moteur à combustion interne (10), et plus particulièrement la zone de point mort haut (11), ou bien la zone de point mort bas (12) de ladite chemise. 8 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce qu'elle présente des 10 cratères (13) de forme ellipsoïdale, répartis de façon aléatoire et homogène. 9 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente une probabilité de chevauchement de deux cratères inférieure à 10%. 10 - Surface sollicitée en frottement lubrifié et texturée selon l'une des 15 revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que lesdits cratères ont : - une profondeur comprise entre 0,5 et 5 pm, - un petit axe et un grand axe compris entre 15 et 75 pm, - une densité surfacique comprise entre 1 et 10%. 20