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PROCÉDÉ DE REVETEMENT DE LA FACE D'UNE PIECE EN ALUMINIUM OU
ALLIAGE D'ALUMINIUM
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des pièces en aluminium ou alliage d'aluminium possédant au
moins une face ou une surface soumise à de fortes sollicitations de friction, notamment les pièces
moulées ou forgées des véhicules automobiles. Il s'agit par exemple des chemises qui équipent les
10 moteurs à combustion interne des véhicules automobiles ou encore de cylindres usinés directement
dans le bloc-moteur. L'invention se rapporte plus précisément à la surface interne, ou alésage, d'une
chemise ou d'un bloc-moteur qui est soumise, à froid comme à chaud, à de fortes sollicitations de
~lolle~ et est sensible à l'usure.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Pour réaliser des pièces de véhicules automobiles en alliage d'aluminium, on choisit dans la majorité
des cas des alliages faciles à mettre en oeuvre, par exemple par moulage ou par forgeage, mais qui
20 ont des caractéristiques d'emploi et de tenue insuffisantes vis-à-vis de fortes sollicitations de
frottement. De telles sollicitations peuvent se rencontrer dans les moteurs, par exemple à la surface
intérieure d'une chemise ou d'un fût de bloc-moteur, appelé également cylindre-carter, où le piston
est guidé dans sa course alternative et où ses segments sont en contact constant avec ladite
surface. De façon à améliorer la tenue à l'usure, on sait par FR-A-1 579 266 et FR~A-2 159 179
déposer sur ladite surface intérieure un revêtement constitué d'un composite de nickel et de
particules solides, généralement en carbure de silicium.
La demande de brevet FR-A-1 579 266 propose un procédé de dépot galvanique d'un revêtement
métallique conlendn( des particules solides. Le dépôt s'effectue en deux étapes: une étape
30 prépa-alo:.~ où l'on dépose par voie chimique une première couche de zinc sur la surface à traiter,
et une deuxième étape qui est le dépôt électrolytique proprement dit, la pièce à traiter étant la
cathode, ce dépôt s'effectuant lui-même en deux étapes: d'abord dépôt d'une fine couche de nickel
presque pur ensuite dépôt du nickel chargé en particules solides.
Ce procédé, ou ses variantes, est utilisé 3 I'heure actuelle couramment à grande échelle autant pour
les blocs-moteurs en alliage d'aluminium que pour les blocs-moteurs ou chemises en fonte, car le
revetement ainsi obtenu non seulement augmente la résistance à l'usure mais aussi améliore la
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lubrification car il facilite la rétention du lubrifiant grâce aux particules de carbure de silicium qui
émergent de la surface de nicket.
La demande de brevet FR-A-2 159 179 apporte une amélioration du procédé initial qui consiste en
une préparation mécanique de la surface (grenaillage~ suivie d'une attaque sodique et enfin d'un
double zincage avec attaque nitrique intermédiaire. Améliorant l'adhérence de la couche déposée, il
est utilisé pour des fabrications de grande série mais présente l'inconvénient de réaliser une couche
d'épaisseur irrégulière.
La demande de brevet EP-A-0 288 364 révèle un procédé de revêtement de fûts de blocs-moteurs
en fonte où le dépôt initial de zinc est remplacé par une attaque sulfurique électrolytique. Ce
procédé permet de mieux contrôler l'épaisseur du dépôt mais n'est pas adapté aux alliages
d'aluminium.
L'alésage d'un carter-cylindre est le siège de la course du piston, il doit donc être réalisé dans des
tolérances dimensionnelles très serrées. L'irrégularité de l'épaisseur de la couche déposée impose
dans la pratique un usinage final, généralement par abrasion-meulage, long, délicat et coûteux. Une
bonne précision géométrique du dépôt permettrait de ne plus prévoir de reprise d'usinage et de viser
d'emblée l'épaisseur correspondant à l'usure maximale que l'on peut a~lendr~ de ce revêtement. De
20 plus, pour augmenter la vie du moteur, on souhaiterait encore améliorer la tenue à l'usure du
revêtement et diminuer le frottement des segments du piston qui se déplacent à son contact, ce qui
aurait pour autre effet bénéfique de diminuer les bruits mécaniques et les vibrations du moteur.
OBJET DE L'INVENTION
L'objet de l'invention est un procédé de revêtement de la face d'une pièce en aluminium ou en
alliage d'aluminium destinée à subir de fortes sollicitations de friction. Il s'agit plus particulièrement
de l'alésage d'une che..lise ou d'un bloc-moteur de moteur à combustion interne. Ce procédé
comporte au moins les trois étapes successives suivantes:
30 - une étape d'activation électrochimique où la pièce est portée à une polarité anodique et qui rend la
surface à revêtir très réactive
- un traitement de suractivation qui complète l'effet de la première étape
- une étape de dépôt électrolytique où la pièce est portée à une polarité cathodique.
De manière profitable, ces opérations peuvent être séparées par des rinçages à l'eau pure et se
succèdent dans un temps très bref, de fason à ce que la surface à revêtir ne sèche pas entre chaque
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étape et sans que ladite surface ait été exposée à l'air ou à tout autre environnement faisant chuter
sa réactivité.
A chaque étape galvanique selon l';nvention, une électrode de forme proche de celle de la surface à
traiter est placée à proximité de ladite surface. De manière avantageuse, il est possible de conserver
la même électrode pour l'ensemble des opérations, ladite électrode devant etre si..,plen,ent portée à
une polarité cathodique à la première étape, nulle à la seconde et anodique à la troisième.
La première étape selon l'invention est une phase d'activation électrochimique où la surface à
lO traiter et l'électrode sont dans un bain contenant un sel acide halogéné de nickel. De préférence, ce
bain est une solution aqueuse contenant du chlorure de nickel, un composé fluoré et de l'acide
borique ou fluoborique. De préférence, on utilisera une solution aqueuse comportant, par litre
d'électrolyte, de 100 à 250 grammes de chlorure de nickel, de 2 à 10 grammes de b;fluorure
d'ammonium, et de 10 à 20 grammes d'acide fluoborique.
Un courant continu est appliqué entre la pièce qui joue le rôle d'anode et l'électrode qui joue le rôle
de cathode. De préférence, la densité de courant se situe entre 10 et 50 A/dm2 pendant 30 à 120
secondes, le bain étant maintenu à une température comprise entre 40C et 60C.
20 D'une manière avantageuse, on cherchera au préalable à préparer la surface à traiter par une
succession de bains de dégraissage alcalin et de décapage alcalin puis fluoborique-nitrique.
La deuxième étape selon l'invention est un traile.,lent de suractivation ayant pour objet d'achever la
dépassivation de la surface à revêtir et de dissoudre les quelques résidus issus du traitement
électrochimique de la première étape et susce~lil,lcs de perturber la régularité et l'homogénéité du
futur dépot. De préférence ce traitement de suractivation est effectué avec un bain fluoborique
nitrique et plus particulièrement une solution aqueuse comprenant entre 20% et 50% en volume
d'acide nitrique concentré à 68% et entre 20% et 75% en volume d'acide fluoborique concentré à
50%. De préférence la surface au contact de ce bain est maintenue pendant une durée de 30 à 120
30 secondes à une température comprise entre 20C et 40C
La troisième étape selon l'invention est la phase de dépôt électrolytique du nickel composite. Le bain
est un bain de nickelage contenant une charge composée de particules solides pouvant etre soit des
carbures, notamment le carbure de silicium, ou encore tout autre composant durcissant le
revêtement et améliorant la tenue à l'usure du dépôt (diamant par exemple), soit un composant
diminuant le coefficient de frottement (graphite par exemple~, soit un mélange de composants de
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ces deux catégories destiné à fournir le meilleur compromis entre tenue 3 I'usure et coefficient de
frottement correspondant à l'utilisation visée.
De manière avantageuse, ledit bain de nickelage peut co"~porlar du sulfamate de nickel, du chlorure
de nickel, de l'acide borique, de la saccharine et ladite charge de particules solides.
De préré, ance, on utilisera un bain de nickelage comportant approximativement, par litre
d'électrolyte, de 250 à 400 grammes de sulfamate de nickel, de 20 à 40 grammes de chlorure de
nickel, de 10 à 100 grammes d'acide borique et de 50 à 150 grammes de charge. Au cours du
traitement le bain est maintenu à une température comprise entre 40C et 60 C, tandis que son
pH est maintenu entre 2 et 5, de préférence entre 2,5 et 3,5. Le bain comporte également de la
saccharine, qui a pour effet avantageux de diminuer les cor,l~ ~tes résiduelles régnant dans le
dépôt. Sa concentration est cependant limitée car la saccharine a pour autre effet de diminuer la
vitesse de dépôt. De préférence, un litre de bain de nickelage comporte entre 0,5 et 4 grammes de
saccharine .
Un courant continu ou pulsé est appliqué entre la pièce qui joue le rôle de cathode et l'électrode qui
joue le rôle d'anode. De préférence, la densité de courant se situe entre 20 et 50 A/dm2 pendant le
temps nécessaire pour atteindre l'épaisseur voulue. Par exemple, avec une densité de courant de 30
A/dm2, le traitement dure 15 minutes pour obtenir une couche de 45 ,um à une temperature voisine
de 50C.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention découlent de l'effet synergique de la
combinaison des deux pre",ièr~s étapes et concernent la constitution de la charge en particules
solides, qui est enrichie et mieux adaptée aux propriétés tribologiques recherchées dans ce type de
dépôt. Ainsi ladite charge qui contient des particules durcissanl le revêtement, telles que des
particules de carbure de silicium, peut être enrichie en particules améliorant les conditions
tribologiques du contact telles que des particules de yl~phile. Dans une modalité avantageuse de
l'invention cette charge compris, par litre de bain de nickelage, entre 5 et 50 grammes de poudre de
graphite.
D'autre part l'ensemble des particules de ladite charge selon l'invention peut atteindre une taille
prépondérante comprise entre 0,5 llm et 5 ~Jm. Dans une modalité préférentielle de l'invention, on
introduit des particules de carbure de silicium de granulométrie comprise entre 3 IJm et 5 ,um, c'est-
à-dire assez grosses pour diminuer les risques de grippage mais pas trop pour éviter une trop forte
usure de l'autre élément en contact. Cette même charge est enrichie en particules de graphite de
granulométrie plus fine- 1 ~m à 3 ,um.
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Des analyses de la surface observée juste après la deuxième étape selon l'invention ont montré que,
de façon étonnante en raison de la polarité de la pièce à la première étape, du nickel métal s'est
déposé dans les cavités créées par l'attaque acide et n'a pas été complètement dissout par le bain
de suractivation. Ces cavités constituent des sites très réactifs qui favorisent l'accrochage de la
couche de nickel composite. La combinaison de l'activation électrochimique de la première étape
selon l'invention et de la suractivation de la seconde étape selon l'invention constitue un effet
synergique qui permet de déposer immédiatement la couche de nickel composite; il n'est pas donc
indispensable de déposer au début de la troisième étape la fine couche de nickel pur préconisée
10 dans l'art antérieur.
La combinaison de l'activation électrochimique de la première étape selon l'invention et de la
suractivation de la seconde étape selon l'invention améliore le rendement du dépôt de la troisième
étape si bien qu' il n'est pas besoin d'atteindre les concentrations de bain de l'art antérieur pour
obtenir la meme concentration de charge dans la couche déposée. Ceci permet, à viscosité de bain
identique, d'enrichir la charge soit avec le même élément pour améliorer une propriété donnée, soit
avec d'autres éléments pour lui conférer d'autres propriétés; ainsi, par exemple, on peut ajouter à la
poudre de carbure de silicium, qui améliore la tenue à l'usure, de la poudre de graphite qui diminue
le frottement au démarrage et diminue ainsi les risques de grippage.
Toujours en raison de cet effet synergique, il est possible selon l'invention d'employer des particules
solides nettement plus grosses que dans l'art antérieur, ce qui améliore encore la qualité tribologique
du revetement en diminuant les risques de grippage.
FIGURES
La figure 1 représente le schéma d'un mode de ré?'is~lion préféré donné uniquement à titre
d'exemple non limitatif. Selon ce mode de réalisation, les opérations sont limitées, I'attente entre les
30 étapes est minime, I'activation de la surface n'est pas entravée par une quelconque oxydation ou
passivation. Le système est dynamique, c'est-à-dire que la cellule de traitement de la pièce 1 n'est
pas démontée au cours du procédé et que l'on introduit à l'intérieur de ladite cellule 1
successivement l'ensemble des bains nécessaires. Cela est possible grâce au circuit 2 qui comprend
des tuyaux en polypropylène et une pompe 3 permettant la circulation des fluides entre leur bac de
rétention et la cellule de traitement. Suivant la position ouverte ou fermée des différentes vannes 4
du circuit, la pompe entraîne d'abord le bain d'activation de la cuve 5, le bain de rinçage de la cuve
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6, le bain de suractivation de la cuve 7, un nouveau bain de rinçage, enfin le bain de nickelage de la
cuve 8.
La figure 2 présente un schéma de principe de la cellule de traitement de la pièce à revêtir. Un bloc
moteur étant particulièrement volumineux et lourd à manipuler, nous avons simplifié la pièce en la
remplaçant par une chemise cylindrique 12 constituée de l'alliage AS5U3G couramment employé
pour les blocs moteurs. Cet alliage d'aluminium comporte approximativement 5% de silicium, 3% de
cuivre et 0,3% de magnésium. L'électrode 10 est maintenue par un support 11 coiffant la chemise
12 . Le s~lpport de la chemise 13 possède un moyen de centrage qui permet de rendre l'électrode et
la chemise concentriques.
Le support électrode 11 et le support chemise 13 entourent hermétiquement la chemise et laissent
passer par l'intermédiaire des cavités 14 du support chemise 13 et 15 du support électrode 11 les
différents fluides provenant du circuit de la figure 1.
EXEMPLES
EXEMPLE 1: Revêtement de cinquante alésages de chemise avec un composite nickel-carbure de
silicium.
Etape préliminaire: Préparation de la surface
Dirréren~s bains de dé"aissage et de décapage ont été d'abord appliqués au trempé. On peut tout-
à-fait imaginer dans une phase industrielle plus avancée de les inclure dans un circuit du type de
celui présenté en figure 1. Les l-ai~t:".ents suivants ont été appliqués:
Dégraissage alcalin sous ultrasons appliqué pendant 2 minutes dans un bain de la société
Diversey, référencé D708, concentré à 30 g/l, maintenu à la température de 60C. Rinçage
Décapage alcalin appliqué pendant 2 minutes avec un bain de la société Diversey, référencé
Aluminux 136, concentré à 50 g/l et maintenu à la température de 50C.
Rinçage
Décapage fluoborique nitrique dans un bain composé de 50% d'acide nitrique concentré à 68% et
de 20% d'acide fluoborique concentré à 50% maintenu pendant 30 secondes à la température
ambiante .
Rinçage
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Première étape: Activation é3ectrochimique
Le bain d'activation électrochimique stocké dans le bac 5 en polypropylène et ma;ntenu à la
température de 50C, a la composition suivante:
NiCI2 125 g/l
NH4HF2 5 g/l
H3B03 12, 5 9/l
Il est amené à la cellule de traitement 1 par l'intermédiaire de la pompe 3 dont le débit maximum est
de 100 litres/minute. Pendant 30 secondes, à l'aide d'un générateur de 40V 300A, on fait passer
un courant de telle façon qu'une densité de courant de 28 A/dm2 s'établisse.
Deuxième étape: Suractivation
Après rinçage, et sans attendre que la surface de la pièce soit sèche, on fait passer le bain de
suractivation dans la cellule. Ce bain a la composition suivante:
50% d'acide nitrique concentré à 68%
20% d'acide fluoborique concentré à 50%
Il est maintenu en contact de la surface pendant 30 secondes à 20C.
Troisième étape: Dépôt électrolytique de nickel composite
Le bain de nickelage employé a la composition suivante:
Ni~NH2S03~2 300 g/l
H3B03 30 g/l
NiCI2 30 g/l
saccharine 2 9/l
charge: carbure de silicium 75 9/l, de granulométrie moyenne 2 micromètres
ll se distingue du bain de l'art antérieur par une teneur en chlore nettement supérieure (# 9 g/l~ et
par un pH nettement inférieur, voisin de 3.
Il est maintenu à une température de 50C, il circule vers la cellule avec un débit maximum de 100
litres/minute, pendant 15 minutes pour un dépOt moyen de 50 ~Jm
On caractérise le dépôt obtenu par son adhérence, la régularité de l'épaisseur déposée,
I'homogénéité de la répartition des particules et par des tests de frottement et d'usure
Les tests d'adhérence employés suivent les recommandations de l'ASTM:
B571-84 ~9 (chocs thermiques~, la température d'utilisation visée étant fixée à 200C et B571-84
7 (test de la lime~.
Les tests d'usure et de frottement ont été effectués sur un tribomètre "PLINT~, commercialisé par la
société CAMERON et couramment utilisé dans l'industrie automobile. Ces tests, que nous
appellerons "essais de tribologie PLINT", permettent de mesurer l'usure des deux matériaux en
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contact ~le revêtement et le matériau du segment de piston) et le coefficient de frottement
~coefficient de Coulomb~.
C'est un contact cylindre-plan, le cylindre représentant le segment et le plan représentant l'alésage
du moteur. Ce plan est revêtu du dépôt à tester. Le cylindre-segment est soumis à une charge
donnée normale au plan-alésage sur lequel il frotte et se déplace, 3 une ~e.,.pé.~lure donnée, dans
une direction parallèle à l'axe du cylindre, selon un mouvement linéaire alternatif d'amplitude et de
fréquence données.
RESULTATS:
10 Adhérence du dépôt: elle est parfaite quel que soit le test utilisé.
Régularité de l'épaisseur:
Après une mise au point minutieuse du positionnement de l'électrode par rapport à la chemise, on
constate une bonne régularité dans l'épaisseur déposée: 45 à 55 micromètres pour 50 micromètres
visés .
Il n'y a pas eu d'usure de l'électrode observée au bout de ces 50 dépôts, ce qui autorise à penser
une bonne reproductivité des résultats à l'échelle industrielle.
Homogénéité de la répartition des particules de carbure de silicium: elle est bonne, de plus, aucun
agglomérat de carbure de silicium n'a été observé.
Essais de tribologie PLINT sur dépots Ni-SiC
20 Trois matériaux constitutifs des segments ont été testés: la fonte, le chrome, le molybdène.
Pour chaque matériau, la demanderesse a effectué des tests à deux températures: 30 et 100C.
Chaque essai a été effectué sous une charge normale de 100 N et avec un déplacement alternatif
d'amplitude 15 mm
A 30C, le lubrifiant utilisé est du décane, la fréquence du déplacement alternatif_est de 12 Hz,
I'essai dure 30 minutes.
A 1 00C, le lubrifiant utilisé est une huile neutre pour moteur, c'est-à-dire non chargée, la
fréquence du déplacement alternatif est de 16 Hz, I'essai dure 120 minutes.
Ces essais ont conduit aux moyennes de résultats du tableau 1. Dans ce dernier, I'usure du
revêtement est caractérisée par une perte en poids exprimée en ". 'I g d",mes. L'usure des segments
30 est donnée qualitativement d'après l'aspect de la surface de contact du segment à la fin de l'essai et
elle est représentée dans le tableau par un nombre de croix d'autant plus grand qu'elle est
importante .
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g
Matériau Tempe- Coefficient de r~utl~r ,eht Usure Usure
du segment -rature l~ébut Milieu Fln r~l;tel.. ent segment
Fonte 30 0,225 0,115 0,115 1,1 XXX
100 0,125 0,115 0,115 0,4 XXX
Chrome 30 0,140 0,125 0,115 2,1 XXX
100 0,100 0,100 0,100 0 xx
M~lyLdene 30 0,130 0,115 0,115 0,9 X
100 0,115 0,105 0,105 0 X
Tableau 1
EXEMPLE 2: Revétement d'un alésage avec du composite nickel-carbure de silicium- graphite
Une dizaine de chemises ont été revetues avec un mélange SiC + graphite.
Le dispositif utilisé les paramètres physiques et les bains sont identiques à ceux de l'exemple
précédent à la seule différence que l'on a ajouté 10 20 ou 30 g/l de poudre de carbone dont les
lO grains ont une taille moyenne de 2 microns.
RESULTATS
Ie dépôt est plus mat et plus foncé que dans l'exemple précédent.
Ies tests d'adhérence sont excellents.
comme dans l'exemple précédent, on constate une bonne régularité dans l'épaisseur déposée avec
la mame fourchette de tolérance
Essais de tribologie PLINT sur dépots Ni-SiC + graphite
Les mêmes essais de tribologie que ceux présentés dans l'exemple 1 ont été menés à la seule
le,-~pé,~l-îre de 30C, sur deux matériaux de segment: la fonte et le chrome et su~trois types de
20 revêtement correspondant aux trois concentrations de graphite.
Ces essais ont conduit aux moyennes de résultats figurant dans le tableau 2, où figurent par ailleurs
pour mémoire et pour co",pa-~ison les résultats obtenus à 30C avec un revetement sans graphite.
La concentration en graphite y est exprimée en grammes par litre.
Matériau conc. ~oefficient de r~ _n._.-l Usure Usure
du se~ment ~raPhite PiC début Milieu Fin r~i~t~n,ent se~ment
Fonte 0 0,180,225 0,115 0,1151,1 XXX
0,110 0,120 0,125 0 X
0,120,110 0,130 0,150 0 X
0,110 0,140 0,1500,1 X
Chrome 0 0,490,140 0,120 0,1151,7 xxX
0,130 0,130 0,1250,2 X
0,150,130 0,115 0,125 0 X
0,130 0,115 0,1450,2 X
Tableau 2
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~o
De manière générale, on constate une plus faible usure de ces segments lorsque le revetement
contient du graphite. On constate d'autre part que l'apport du graphite a un effet sur le frottement
essentiellement au démarrage, où le pic observé sur le coefficient de fro~le",enl chute de fason
sensible avec les segments en fonte et de façon s~e~;ldculaire avec les segments en chrome.
On constate enfin qu'une concenl~alion de 20 9/1 de graphite associée aux 759/1 de poudre de SiC
correspond au revetement qui est le moins usé à la fin de ce type d'essai.
AVANTAGES DE L'INVENTION
- excellente adhésion du depôt due aux étapes d'activation.
- uniformité de l'épaisseur du dépôt qui peut varier de moins de 5 llm, par adaptation de la
conformation des électrodes.
- homogénéité de la répartition des particules (carbures de silicium et graphite par exemple) dans le
dépôt (jusqu'à 15% en volume environ).
- vitesse de dépôt élevée.
- homogénéité des produits employés dans toutes les étapes de ce procédé.
- faible rugosité du dépôt, ce qui permet une réduction du temps de rodage des pièces ainsi
revetues.
