CA1275762C - Pieces en aluminium et ses alliages dont une face au moins presente au moins une region de zones resistant a l'usure - Google Patents

Abstract

Pièces en aluminium et ses alliages dont une face au moins présente au moins une région de zones résistant à l'usure. Ces pièces sont constituées par une répartition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée caractérisées en ce que lesdites zones, quelles que soient leur longueur et leur forme, ont une largeur et une profondeur comprises entre 3 et 150 .mu.m et que la fraction surfacique des zones pour chaque mm2 d'une région est comprise entre 5 et 60%. Ces pièces peuvent être utilisées à la confection, notamment de chemises et de pistons de moteurs, de sièges de soupapes, de tambours et de disques de freins, de poulies de transmission crantées, de filières, d'engrenages, de coussinets de portées d'arbres d'entraînement, de roulements à billes et de diverses pièces électriques pour contacts glissants.

Description

~S~62 La présente invention est relative à des pièces en aluminium et ses alliages dont une face au moins présente au moins une région de zones résistant à l'usure et un pro-cédé pour l'obtention de pièces métalliques dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure constituée par une répartition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée.

EXPOSE DU PROBLE~E
L'homme de l'art sait que les pièces en aluminium et ses alliages soumises à des frottements doivent posséder des caractéristiques technologiques telle que, notamment, la résistance à l'usure et la tenue au grippage au moins sur leur face "active", c'est-à-dire celle qui se trouve au contact de la pièce antagoniste. Le plus souvent, ces caractéristiques ne sont nécessaires qu'en des régions représentant une portion seulement de ladite face, et en des zones bien localisées desdites régions.
Ces zones résultent généralement d'un traitement de durcissement superficiel des pièces obtenues par diffé-rents moyens.

ART ANTERI _ R
C'est ainsi par exemple, que le brevet fran,cais

2 371 520 décrit un procédé de traitement d'une région exposée déterminée d'un article en aluminium ou en un de ses alliages en présence ou non d'un agent d'alliage, avec un faisceau laser ou un faisceau diélectrons de forte éner-gie (au moins 10.000 watts/cm ) et de diamètre compris entre 250 et 1250~um, de manière à pouvoir chauffer l'article dans une première zone et à le fondre dans une deuxième zone à
l'intérieur de ladite première zone: on crée ainsi une structure à grains fins au moins dans ladite zone, dans le but, entre autres, d'améliorer la résistance à l'usure et ~.%~ 2 - la -d'éliminer ou de réduire les déformations résultant du traitement.
La revendication 24 de ce brevet énonce que "ledit faisceau est déplacé le long de plusieurs trajets séparés et espacés de manière à affecter des zones formant des regions espacées sur la surfa~ce exposée dudit article'l.
De même, le brevet français 2 367 117 revendique "un procédé de traitement ~3 27 d'une surface mé~llique de por~ée d'un composant caract~ris~ en ce qu'il consiste ~ ne traiter thermiquement que des zones de port~e pour modifier leurs propriétés métallurgiques et améliorer leur résistance ~ l'usure".

Selon un egemple particulier de ce procédé, le traitement est appliqué
une chemise de cylindre en fonte durcie par céme~tation et consiste à
diriger sur cette dernière un laser émettant un faisceau tel qu'il forme un point d'un diam~tre de 3000 ~m.
La demande de brevet japonaise publiée sous le n 59 212 572 enseigne également un procedé de traitement de durcissement de la surface inté-rieure d'un cylindre de moteur ~ combustion interne au moyen d'un laser dans lequel le rapport surfacique des zones non traitées aux zones trai-tées est de préf~rence compris entre 10 et 70 % et la timension des zonestraitées est de plusieurs mm.

Ces documents enseignent donc que des zones aptes au frot~ement peuvent etre obtenues sur des pièces en traitant thermiquement leur surface de manière à obtenir localement des zones d'une largeur dépassant 250 ~ .

La demanderesse cherchant à appliquer de tels enseignements, a constaté
en effet qu'on pouvait, certes, obtenir un durcissement localisé aux zones de traitement, mais que dans le cas de l'aluminium et de ses allia-ges, ce durcissement s1accompagnait en cas de fusion localisée, d'unepart, d'une déformation de la pièce telle qu'elle nécessitait un réusina-ge avant utilisation, d'autre part, parfois de fissurations et d'a rces de criques de fatigue dues aux contraintes superficielles développées par les surchauffes locales résultant du traitement.
BUT DE L'INVENTION
C'est pourquoi, la demanderesse a cherché à mettre au point des pièces en aluminium et ses alliages dont au moins une face est traitée par effet thermique de fusion de manière ~ développer au moins une région de ~ones r~sistant ~ l'usure et aptes au frottement mais telles qu'elles rec~lent tres peu de contraintes superficielles susceptibles de d~velopper des fissurations ou autre dégradation lors de leur utilisation et telles éga~
lement qu'elles puissent être utilisées brutes de traitement, c'est-~-.

~Z7~ 2 dire sans réusinage, op~ration on~reus~ et délicate sur des parties dur-cies et qui, par ses effets thermique et mecanique, peut modifier la structure de la zone traitée et, par suite 9 se5 caract~ristique8 tribo-logiques.
EXPOSE DE L'INVENTION
Selon l'invention, les pièces en aluminium et ses alliages dont au moi~s une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure cons~
tituée par une répartition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée sont caractérisées en ce que lesdites zones, quelle3 que soient leur longueur et leur forme, ont une largeur et une profondeur comprises entre 3 et 150 ~m et que la fraction surfacique des zones pour chaque mm2 d'une région est comprise entre 5 et 60 %.

Ainsi, les faces actives des pièces inventées présentent-elles à leur surface, et en des régions choisies convenablement en fonction de l'usa-ge qu'on veut en faire, des zones durcies répondant aux deux caracté-ristiques suivantes :
~ d'une part, une forme plus ou moins allongée, mais une largeur et une profondeur tras faibles comparées aux pièces de l'art antérieur;
- d'autre part, une répartieion fine desdites zones, puisque pour chaque mm2 de surface appartenant à une région, elles représente~t 5 à 60 %
de ladite surface, c'est-~-sire qu'elles sont espacées les unes des autres par une distance inférieure à 1 mm.

Outre ces caractéristiques, on a constaté qu'il était intéressant lors-que les zones s'entrecroisaient de limi~er la fraction de surface de re-couvrement desdites zones pour chaque mm d'une région à 50 % de la sur-face totale des zones.

Dans ces conditions, on observe que outre l'augmentation importante dela résistance à l'usure provoquée par la présence de zones durcies, les contraintes de déformation provoquees par la fusion-resolidification au niveau des zones étaient beaucoup plus faibles que celles observées sur des zones de largeur et de profondeur plus importantes ou recouvra~t plus largement la surface ou encore s'entrecroisan~ de ac~on plus fré-.

7~

quente.

De même, on note que les differe~ces de cotes entre les zones et le~ es-paces interzone~ ne dépassent pas 10 ~m, ce qui ~vite donc tout r~usina-ge des pi~ces avant utilisation. Autrement dit, le trai~ement modifiepeu le profil géométrique de la pi~ce traitee et ne fait intervenir qu'une legère modification de la rugosite.

Par ailleurs~ la presence d'espaces entre les zones ameliore notablement l'aptitude des pièces au frottement en creant en susface et sur une fine echelle une alternance de zones durcies et d'espaces mous, disposition très efficace generalement en resistance a l'usure par adhésion, fatigue ou abrasion et efficace egalement en frottement puisque les espaces in-terzones mous constituent des pièges a lubrifiant, voire des pièges aux debris d'usure.

Toutefois, dans la foucchette de largeur et de profondeur des zones re-vendiquees, on a remarque qu'il etait preférable de s'en tenir aux va-leurs comprises entre 10 et 100 ~m pour obtenir les meilleurs résultats.
L'invention en elle-même n'impose :
- ni régularite de forme des zones : dans le cas d'une zone de forme quelconque, la notion de largeur citée plus haut peut être définie comme étant deux fois la dimension 1/2 qui conduit dans les techniques dites de squelletisation utilisees en analyse d'image à une dispari-tion de la zone, - ni une disposition regulière des zones en su~face.

L'invention fait en effet intervenir dans son principe l'idée statisti-que de reduire la largeur et la profondeur des zones et de les séparer, la distribution à l'echelle du mm et la forme des zones ayant un effet de second ordre par rapport ~ l'effet largeur-profondeur et fraction surfacique.

Toutefois, pour des raisons de com~odité de création de ces zones a la surface des pièces, l'invention englobe également les zones disposees ~L%7~

régulièrement à la surface des pièces sous forme des réseaux périodiques ou quasi périodiques de bandes dont la largeur et la profondeur sont évidemment comprises entre 3 et 150 ,um.
C'est ainsi que les zones peuvent être disposées sous forme de bandes continues séparées les unes des autres par une distance comprise entre 20 et 1000 ,um, ces bandes ayant soit une direction quelconque, soit figurant au moins un réseau de bandes parallèles. Mais ces zones peuvent être également disposées sous forme de bandes discontinues séparées suivant leur longueur et les unes des autres par une distance comprise entre 20 et lOOO,um; ces bandes ayant comme précédemment soit une direction quelconque, soit figu-rant au moins un réseau de bandes parallèles.
L'invention s'applique en particulier à tout alliage d'aluminium, dont les propriétés tribologiques sont sucepti-bles d'être améliorées par un traitement de fusion superfi-cielle. Elle s'applique également à toutes les pièces où
les zones sont constituées par un alliage d'aluminium fondu avec un elément d'apport ou un composé d'apport tel que ledit alliage ait de meilleures propriétés tribologiques que l'alliage de base. Cet élément peut être par exemple du fer ou du nickel.
Les zones répondant aux caractéristiques de l'invention peuvent être obtenues par tout procédé permettant de modifier localement par fusion-resolidification la nature ou la structure de la surface de la pièce sur une faible profondeur et sur une faible largeur de manière à lui conférer par effet thermique et/ou chimique une meilleure aptitude au frottement.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé d'obtention de pièces métalliques dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à
l'usure constituée par une répartition contrôlée de zones ~7~762 - 5a -durcies par effet de fusion localisée; procédé dans lequel on applique un rayonnement laser focalisé de manière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 ~m.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé d'obtention de pièces métalliques dont au moins une face présente ensurface au moins une région résistant à l'usure constituée par une répartition contrôlée des zones durcies par effet de fusion loca-lisé, procédé qui consiste:
- à appliquer un rayonnement laser focalisé à ladite région résistant à l'usure pour produire des zones de fusion, - à contrôler ledit rayonnement laser de manière à
créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 ~m, et - permettre auxdites zones de fusion de se resolidifier pour former des zones durcies.
On peut citer notamment l'utilisation de rayonnements de haute énergie tels que les faisceaux d'électrons et les rayonnements laser convenablement focalisés de manière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 ~m.
L'obtention de bandes axiales, circulaires ou héli-coidales ou toute autre forme peut être facilement réalisée en commandant le déplacement relatif de la pièce et du faisceau par l'intermédlaire d'un micropro-cesseur.
Par exemple, avec un faisceau laser argon classique d'une puissance de - -. .
`,~

- ` ~27~ 6~

18 ~atts suffisamment focalis~ pour atteindre une densité de puissance supérieure ~ 1.106 watts/cm2, on a pu réaliser ~ la sùrface de pi~ces en alliage d'aluminium-silicium un réseau ~ mailles carrées formé de bandes de largeur 30 ~m séparées les unes des autres par une distance de 100 ~m e~ ceci en exposant les pi~ces ~ l'action du fsisceau pendant moins de 1.10 I seconde et en déplaçan~ le faiscPau par rapport à la piece de manière à lui faire décrire une série de trajectoires parallele~ dans deux directions perpendiculaires. Mais on peut également utiliser des sources d'énergie capables d'émettre un grand nombre de faisceaux ce qui permet une realisation plus pratique du réseau.

On a ainsi cree à fine echelle un ensemble de zones traitees de faibles dimensions (largeur ~ 150 ~m) séparées les unes des autres et form~ une surface constituée d'un matériau dur enchâssé dans une matrice plus mol-le. Les pièces ainsi trait~es ne présentaient qu'une déformation mineuredu profil de surface, ceci évitant un réusinage; leur application à une chemise de moteur en alliage d'aluminium n'a entraîné aucune degradation par liberation de contraintes et leur comportement tribologique au con-tact du pistonlsegment a ete meilleur que celle des chemises dont toute la surface avait eté traitée avec des faisceaux creant des zones de lar~
geur 3000 ~m.

L'invention peut être illustrée à l'aide des dessins ci-joints qui re-présentent en ce qui concerne les figures 1, 2 et 3, différentes dispo-sitions de zones realisees suivant l'invention sur une region d'une faceactive d'une pièce tandis que la figure 4 se rapporte à une microphoto-graphie d'une portion de region d'une pièce suivant l'invention et les figures 5, 6 et 7 à des coupes micrographiques de pièces suivant l'art anterieur (fig. 5 et 7) et suivant l'invention (fig. 6).
Plus precisément :
. la figure I représente des zones (1~ de forme et de largeur quelconques reparties de façon quelconque mais qui ont toutes une largeur comprise entre 10 et 1~0 ym et une fraction surfacique pour chaque mm de sur-face comprise entre 5 et 60 %.
. La figure 2 représente des zone8 dispos~es régulièrement suivant unréseau à mailles carrées constitué de bandes (2) d'une largeur de 40 ~m ~ %7~ 2 e~pacees les unes des autres de 360 ~m.
. La figure 3 repr~sente des zones ponctuelles (3) d'une dimen~ion de 50 ~m espacees les unes des autres de 100 ~ .
. La figure 4 est une microphotographie au grossiæsement 100 de zoneæ
réparties suivant des bandes de 40 ~ de large e3pacées les unes des autres de 200 ~m et s'entrecroisant a angle droit et qui sont obtenues sur des pièces en alliage d'aluminium du type A-S17U4G (silicium 17Z -cuivre 4% - magnesium ~ 1% - solde aluminium).
Les figures 5, 6 et 7 seront co~mentées dans l'exposé de l'exemple qui suit.

EXEMPLE D'APPLICATION
Des pièces en A-S5U3 (c'est-a-dire contenant en poids 5 2 de silicium,

3 ~ de cuivre et le solde en aluminium et impuretés) et en A-S17U4G (17Z
Si, 4% Cu, ~ 1% Mg) élaborées de la même façon ont été partagéefi en deux lots numerotes I et 2 comprenant l'un et l'autre les deux types d'alliage.

Le lot 1 a é~é soumis a un traitement laser pour obtenir des zones sui-vant l'art anterieur et le lot 2 à un autre trai~ement laser pour obtenir des zones suivant 1'invention.

Les conditions de ces traitements sont leæ suivantes :

Lot 1 Lot 2 . Faisceau laser C2 Ar . Puissance (watts) 2500 18 . Largeur du faisceau (~um) 1000 20 . Densité de puissance (watts/cm )2,5x10 7x1o6 . Duree de traitement (sec) 6/100 1/40 . Largeur de la zone traitee (pm)~3000 J40 . Profondeur de la zone traitee (~Im) ~2600 J20 Les constatations suivantes ont ete faites :

8 ~Z7~7~;~

Du point de vue relief :
. sur la lot I (fig. 5) qui repr~sente, vue en coupe et au grossissement 25 une zone (4), on observe un relief macroscopique s'étandant sur tou-te la largeur de la zone et dont l'amplitude atteint 100 ~m, ce qui oblige ~ reusiner la pièce.
. au contraire, sur le lot 2 (fig. 6) qui represente, vue en coupe, etau grossissement 1000 une zone (5), on n'observe aucun relief macros-copique. Seule la microrugosite est legèrement affectée mais elle ne necessite aucun réusinage.

Sur ces figures 5 et 6, on note egalement un changement radical de struc-ture qui permet une localisation precise de la zone et la mesure de ses dimensions.

Sur les 2 lots, on a mesure une durete Vickers superieure a 200 dans lazone et de 80 entre les zones.

En conséquence, les pièces suivant l'invention et qui possèdent donc des zones de faible largeur et de faible profondeur présentent un taux de deformation du profil de surface tel qu'il n'est plus necessaire de les usiner.

D'autres pièces du même type ont ete prealablement revêtues d'un film de fer par electrolyse en quantite telle qu'elle permettait après fusion de realiser en surface un alliage à 15 % de fer.

Ces pièces ont ete partagees egalement en 2 lots qui ont subi les mêmes traitements que ceux decrits plus haut, sauf en ce qui concerne la dis-position des ~ones traitées.

En effet, la surface des pièces du lot I a éte traitee suivant des bandesparallèles unidirectionnelles se chevauchant (lot IA) ou non (lot 18) :
distance entre bande 2000 ~m) alors que celle du lot 2 a eté traitee sui-vant un reseau de bandes parallèles se croisant a angle droit et distan-tes les unes des autres de 200 ~m.

` ` ~27~62 L'examen micrographique des surfaces a mDntré que dans certains cas les zones traitées des lots IA et IB présentaient de~ fissuration8 (6)~fig.7) ~lors que celles du lot 2 (fig.6) en étaient depourvuesO

Dans une autre sériP d'essais, OD a remplacé le fer par un dépôt galva-nique de nickel de manière à réaliser en surface apr~s fu8ion un alliage à 10 % de nickel et on a soumis les pièces des 2 lots à des mesures de frottement-usure au moyen du tribomètre CAMERON-PLINT.

Ce tribomètre est constitué par un segment en fonte chromée qui appuie sur la surface à contrôler et qui est animé d'un mouvement al~ernatif de~i façon a simuler approximativement le frottement qui se produit entre les segments insérés dans le piston et la chemise d'un moteur à combustion interne.
Dans le cas présent~ la charge d'appui était de 100 N, la température de la pièce de 100C, la fréquence du mouvement de 12 ~z et la durée d'essai de 30 mn. La 6urface était au préalable lubrifiée avec une huile du type Neutral 150.
Les pièces du lot I se sont dégradées rapidement (détachement de débrisde grandes dimensions ~ I ~m de la surface trait~e). Il en a été de même du segment en fonte chromée.

Quant aux pièces du lot 2, elles n'ont donné lieu ~ aucune dégradation visible ni perte de poids mesurable.

La présente invention trouve son application dans la fabrication de pie-ces en aluminium et ses alliages destinées à ~tre soumises à des frotte-ments telles que par exemple les pièces mécaniques (chemises de moteurset pistons, sièges de soupapes, tambours et disques de freins, poulies crantées de transmission, filières, engrenages9 coussinets, portées d'arbres d'entraînement, roulements ~ billes, etc...) et des pièces é-lectriques de contact o~ on combine frottement et passage du courant électrique (connectique, conta~t glissant, collecteur de moteur électri-que, etc...).

Claims (13)

1. Pièces en aluminium et ses alliages dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure constituée par une ré-partition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée carac-térisées en ce que ces zones, quelles que soient leur longueur et leur for-me, ont une largeur et une profondeur comprises entre 3 et 150 µm et que la fraction surfacique des zones pour chaque mm2 d'une région est com-prise entre 5 et 60 %.

2. Pièces suivant la revendication 1 caractérisées en ce que lorsque les zones s'entrecroisent, la fraction surfacique de recouvrement desdites zones pour chaque mm2 d'une région est inférieure à 50 % de la surface totale des zones.

3. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones ont une largeur et une profondeur comprises entre 10 et 100 µm.

4. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme de bandes continues de direction quelconque et sépa-rées les unes des autres par une distance comprise entre 20 et 1000 µm.

5. Pièces selon la revendication 4 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme d'au moins un réseau de bandes parallèles.

6. Pièces selon la revendication 1 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme de bandes discontinues, de direction quelconque, sé-parées suivant leur longueur et les unes des autres par une distance comprise entre 20 et 1000 µm.

7. Pièces selon la revendication 6 caractérisées en ce que les zones sont disposées sous forme d'au moins un réseau de bandes parallèles.

8. Pièces selon la revendication I caractérisées en ce qu'elles sont cons-tituées par un alliage dont les propriétés tribologiques sont susceptibles d'être améliorées par un traitement de fusion superficielle.

9. Pièces selon la revendication 1, caractérisées en ce que les zones sont constituées par un alliage de métal de base avec un élément ou un composé d'apport tel que ledit alliage ait de meilleures propriétés tribologiques que le métal de base.

10. Pièces selon la revendication 9, caractérisées en ce que le composé d'apport appartient à la famille du fer, du nickel.

11. Procédé d'obtention de pièces métalliques dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure constituée par une répartition contrôlée de zones durcies par effet de fusion localisée, procédé dans lequel on applique un rayonnement laser focalisé de manière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 µm.

12. Procédé d'obtention de pièces métalliques dont au moins une face présente en surface au moins une région résistant à l'usure constituée par une répartition contrôlée des zones durcies par effet de fusion localisé, procédé qui consiste:
- à appliquer un rayonnement laser focalisé à ladite région résistant à l'usure pour produire des zones de fusion, - à contrôler ledit rayonnement laser de manière à créer par fusion des zones de largeur et de profondeur inférieures à 150 µm, et - permettre auxdites zones de fusion de se resolidifier pour former des zones durcies.

13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le contrôle dudit rayonnement est fait de façon à ce que la fraction surfacique desdites zones durcies pour chaque mm2 d'une région est comprise entre 5 et 60%.