Ensemble de deux pièces destinées à frotter l'une contre l'autre sans lubrification
La présente invention a pour objet un ensemble de deux pièces destinées à frotter l'une contre l'autre sans lubrification et présentant des performances élevées.
On connaît un ensemble de deux pièces destinées à frotter sans lubrification, l'une des deux surfaces étant dorée et l'autre chromée; dans cet ensemble, la surface dorée porte deux couches successives sur le métal de base capable de faire des alliages avec le nickel: d'abord une couche de nickel d'épaisseur en fonction de la dureté du métal de base, puis une couche superficielle d'or d'épaisseur comprise entre 3 et 20 microns; la surface chromée comporte, sur le métal de base capable de faire des alliages avec le chrome, une couche de chrome de rugosité inférieure à 20 micro-inches CLA (norme Center Line Average).
Ce procédé, s'il améliore les caractéristiques en frottement de pièces mécaniques ainsi que leur tenue vis-àvis de la corrosion, n'assure toutefois de bonnes performances en frottement de ces pièces que dans des cas particuliers: métal support du revêtement d'or capable de faire des alliages avec le nickel, surface chromée obtenue par un revêtement de chrome pur sur un métal capable de faire avec le chrome des alliages.
L'ensemble selon l'invention est caractérisé en ce que les surfaces frottantes sont l'une à base d'or et l'autre à base d'un mélange de chrome et d'oxyde de chrome.
Si l'on considère un ensemble de pièces A et B quelconques, on réalise sur l'une des deux pièces, A par exemple, une couche à base d'or et sur l'autre pièce B, une couche à base d'un mélange de chrome et d'oxyde de chrome, ces couches étant associées de telle sorte que:
1. pour frotter sur une surface A dorée de façon quel
conque, la pièce B comprendra de l'extérieur vers
l'intérieur
- une couche superficielle formée d'un mélange de
chrome et d'oxyde de chrome, d'épaisseur infé
rieure à 2 microns,
- une couche intermédiaire dure formée ou bien de
chrome ou bien de tout autre composé entre le
chrome et un ou plusieurs autres métaux, l'un de
ces métaux pouvant être le métal de base lui
même,
- enfin le métal de base lui-même
L'épaisseur de la couche intermédiaire est supérieure à 10 microns; sa dureté passe par un maximum dans une zone comprise entre 0,01 et 0,5 mm en dessous de la surface, puis va en décroissant au fur et à mesure que l'on s'enfonce vers l'intérieur pour rejoindre progressivement la dureté du métal de base à coeur;
cette dureté maximale de la couche intermédiaire est supérieure à 400 vickers sous 15 g.
La couche superficielle, faite d'un mélange de chrome et d'oxyde de chrome, est obtenue par un polissage ou un meulage ou tout autre moyen réalisant une friction, effectué de préférence à sec et en ambiance oxydante, cette ambiance pouvant être de l'oxygène ou bien même l'air ambiant; il est bénéfique de laisser s'échauffer librement la pièce au cours de cette opération; cette couche peut également être obtenue par n'importe quel procédé réalisant une oxydation en surface; la rugosité de cette couche superficielle ne doit pas dépasser la valeur de 20 micro-inches de la norme CLA (Center Line
Average).
Dans une variante, la couche intermédiaire réalisée sur la pièce B est du chrome; dans ce cas si le métal de base constituant cette pièce B fait difficilement des alliages avec le chrome, on interposera entre eux des couches successives de métaux de façon telle que chacun d'eux soit soluble à la fois dans celui qui le précède et dans celui qui le suit, le premier, directement au contact du métal de base, étant soluble dans ce dernier, et le dernier, directement au contact du chrome, étant le nickel ou le cobalt et de préférence le nickel. Les épais seurs respectives des différentes couches successives ainsi interposées entre le métal de base et la couche de chrome seront comprises entre 0,5 et 10 microns.
2. Pour frotter sur une surface B revêtue d'une façon
quelconque d'un mélange de chrome et d'oxyde de
chrome, la pièce A comprend de l'extérieur vers
l'intérieur
- une couche superficielle formée d'or et d'épais
seur comprise entre 0,5 et 3 microns,
- une couche intermédiaire formée d'un ou plusieurs
composés entre l'or et un ou plusieurs autres
métaux, l'un de ces métaux pouvant être le métal
de base lui-même; l'épaisseur de cette couche
intermédiaire est comprise entre 5 et 100 mi
crons; sa dureté atteint au moins 15 vickers sous
15 g,
- enfin le métal de base lui-même.
3. Des performances encore accrues des ensembles et
inégalées jusqu'ici sont obtenues en combinant à la
fois les deux conditionnements décrits ci-dessus res
pectivement pour la pièce A et pour la pièce B.
Les ensembles trouvent leur meilleur domaine d'utilisation dans les cas de fonctionnement sous oxydation et échauffement libres, la friction assurant la régénération constante de la couche superficielle formée de chrome et d'oxyde de chrome mélangés.
L'invention sera illustrée par les exemples ci-après, donnés à titre non limitatif, et qui donnent les résultats comparatifs d'essais effectués sur une machine de frottement dans laquelle on fait tourner une bague cylindrique de diamètre 35 mm appuyée sur une plaquette parallélépipédique de dimensions 30 X 18 X 8 mm animée d'un mouvement linéaire alternatif uniforme de 18 mm d'amplitude.
Exemple I
La bague et la plaquette sont en acier mi-dur au carbone XC35 recuit, de composition 0,36 % C, 0,28 % Si, 0,55 % Mn, le reste étant le fer; la bague est dorée; sur la plaquette on réalise dans les couches superficielles une diffusion partielle de chrome de façon à obtenir en sous-couche une zone de 20 microns d'épaisseur faite d'un composé de fer et de chrome et en surface une mince couche résiduelle de chrome; la plaquette est ensuite polie au papier abrasif dans l'air ambiant en laissant la pièce s'échauffer librement au cours de cette opération.
Les pièces ainsi traitées peuvent frotter sous une charge de 350N et avec une vitesse de glissement de 2 sec pendant plus de 4h sans aucune dégradation des états de surface et sans présenter de trace de corrosion.
Exemple 2
La bague est identique à celle de l'exemple 1. La plaquette est en acier inoxydable du type Z3 CN 18.10 de composition: 0,025 % C, 0,58 % Si, 0,76 % Mn, 11,5% Ni, 19,3 % Cr, 0,23 % Mo, 0,02 % Ti, le reste étant le fer; sur cette plaquette, on réalise par voie électrolytique d'abord une couche de nickel puis une couche de chrome; la surface ainsi obtenue est alors polie au papier abrasif dans l'air ambiant sous échauffement libre.
Ainsi traitées les pièces peuvent frotter sous une charge de 350N et avec une vitesse de glissement de 0,5 m/sec en ambiance d'air sans aucune trace d'huile ou de graisse pendant i h avec un coefficient de frotte ment de 0,15, sans aucune dégradation des états de surface et sans aucune corrosion.
Exemple 3
Les éprouvettes sont identiques à celles de l'exemple 1. Sur la plaquette, on réalise une couche de chrome que l'on polit ensuite au papier abrasif dans l'air ambiant de façon à former à sa surface une couche faite d'un mélange de chrome et d'oxyde de chrome.
Sur la bague on réalise d'abord une couche d'indium puis une couche d'or; grâce à un traitement de diffusion, on assure ensuite la formation d'une couche d'un composé formé d'or et d'indium comportant en surface un excès d'or pur.
Ainsi traitées, les pièces peuvent frotter sous une charge de 350N et avec une vitesse de glissement de 0,5 m/sec pendant 3 h sans aucune dégradation des états de surface et sans montrer de trace de corrosion.
Exemple 4
Les éprouvettes sont toujours identiques à celles de l'exemple 1.
Sur la plaquette, on effectue le traitement décrit dans l'exemple 1.
Sur la bague, on effectue le traitement décrit dans l'exemple 3.
Ainsi traitées, les pièces peuvent frotter sous une charge de 500N avec une vitesse de glissement de 2 m/sec et dans l'air ambiant pendant plus de 5 h sans aucune dégradation des états de surface, sans montrer de trace de corrosion et avec un coefficient de frottement constant de 0,14.
Exemple 5
Cet exemple se rapporte à un mécanisme concret, formé d'un arbre de 40 mm de diamètre tournant dans un palier lisse de 30 mm de long; le jeu entre arbre et palier est de 0,1 mm sur le diamètre; la vitesse de rotation de l'arbre est de 50 t/mn et la charge appuyant le palier contre l'arbre de 300daN.
Les pièces sont montées parfaitement dégraissées et aucune trace d'huile ou de graisse n'est introduite en cours de marche.
L'arbre et le palier sont en acier mi-dur au carbone de composition 0,35 % C, 0,25 % Si, 0,5 % Mn, le reste étant le fer.
Dans les conditions précédentes, lorsque les pièces sont non traitées, elles grippent après quelques secondes seulement, avec blocage du mouvement.
Par contre la durée de vie peut atteindre plusieurs heures, en traitant arbre et palier de la façon suivante: - arbre: on réalise d'abord à sa surface une couche de
cobalt puis une couche d'or; ensuite, grâce à un trai
tement thermique, on assure la formation d'une cou
che d'un alliage d'or et de cobalt, comportant en sur
face un excès d'or pur; - palier: on réalise d'abord dans les couches superfi
cielles une diffusion de chrome de façon à obtenir
en sous-couche une zone faite d'un composé entre le
fer et le chrome et en surface une couche résiduelle
de chrome; ensuite on polit le palier au papier abra
sif, dans l'air ambiant, en laissant la pièce s'échauffer
librement au cours de cette opération.