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CA 02443005 2003-10-03
WO 02/081769 PCT/FR02/01091
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"Procédé de traitement de pièces en alliage ferreux pour améliorer leurs
propriétés frottantes, sans perte de leur dureté ni déformation"
La présente invention concerne un procédé de traitement de pièces en
alliage ferreux pour améliorer leurs propriétés frottantes, principalement
leur
résistance au grippage et au collage, sans risque de perte de leur dureté ni
de
déformation.
L'invention s'applique aux pièces en acier ou en fonte à hautes
caractéristiques mécaniques, c'est-à-dire, dont la température de revenu est
inférieure à 200 C.
L'homme du métier sait que deux pièces en acier frottant l'une contre
l'autre en l'absence de lubrifiant vont gripper très rapidement. L'homme du
métier sait également que le rôle des lubrifiants consiste à séparer les
surfaces
en contact par un film qui favorise le glissement et l'élimination des
calories. Le
film de lubrifiant permet de prévenir l'apparition des micro soudures
responsables du grippage et du transfert de matière.
Pour être efficace, le film de lubrifiant doit avoir une épaisseur supérieure
à la hauteur des rugosités de surface. L'épaisseur du film dépend en grande
partie des propriétés physico-chimiques superficielles et de la morphologie
des
surfaces à l'échelle microscopique. Cependant, l'acier brut d'usinage a des
caractéristiques de surface telles que l'épaisseur des films de lubrifiant est
généralement insuffisante pour assurer une lubrification continue lorsque les
charges ou les vitesses deviennent importantes.
Des traitements à la surface des aciers ont été mis au point dans le but
d'améliorer soit l'absorption du lubrifiant soit les caractéristiques anti-
soudure
ou encore les deux à la fois.
Deux catégories de traitement sont aujourd'hui utilisées dans l'industrie
mécanique pour améliorer la rétention de lubrifiant : la phosphatation et la
sulfuration à basse température. La phosphatation est principalement destinée
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à accroïtre la résistance au grippage des contacts lubrifiés, la sulfuration
confère en plus des propriétés d'inhibition de soudure à la surface grâce à la
formation de sulfure de fer (FeS hexagonal), et les propriétés anti-grippage
sont
alors supérieures à celles obtenues avec la phosphatation.
Les propriétés physico-chimiques de composés tels le phosphate de fer
ou le sulfure de fer sont à l'origine du meilleur mouillage des lubrïfiants,
l'énergie
superficielle de ces constituants étant bien supérieure à celle de l'acier.
Ces
constituants présentent en outre une faible résistance au cisaillement ainsi
qu'une excellente aptitude à l'accommodation, ce qui leur permet d'améliorer
les conditions de rodage et la tenue à l'usure des contacts soumis à la
fatigue
de surface.
La sulfuration électrolytique en sels fondus dans une saumure est
enseignée dans le FR-A-1 406 530.
La sulfuration à basse température est réalisée dans un mélange de
sels fondus à une température autour de 200 C avec l'assistance d'un
électrolyse anodique conduisant à la formation de sulfure de fer hexagonal
FeS.
Ce dernier procédé est enseigné dans le brevet de la Demanderesse
FR-A-2 050 754.
Néanmoins, les pièces comportant un revêtement selon l'art antérieur ne
répondent plus aux nouvelles exigences, en particulier en ce qui concerne les
mécanismes mis en oeuvre dans les nouvelles générations de moteurs à
injection directe.
Un objet de l'invention est d'obtenir des pièces en alliage ferreux ayant
des propriétés frottantes améliorées dans des conditions extrêmes de pression
et de vitesse, principalement leur résistance au grippage et au collage sans
perte de leur dureté ni déformation.
Cet objet, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description
ci-après, est satisfait par le procédé de la présente invention.
La Demanderesse a constaté de façon surprenante que pour des pièces
en alliage ferreux comportant un revêtement en sulfure de fer, la dimension
fractale de la surface du revêtement de sulfure de fer jouait un rôle
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prépondérant, et en tout cas bien plus influent que celui de la
stoechiométrie, de
la structure cristalline ou encore de la pureté.
La Demanderesse a donc mis au point un procédé d'obtention d'une
pièce en alliage ferreux supportant une charge de grippage très élevée avec
une dispersion très faible ainsi qu'un nombre de cycles élevé, consistant à
déposer sur ladite pièce un revêtement de sulfure de fer ayant une épaisseur
et
un rapport Fe/S appropriés, caractérisé en ce que l'on sélectionne le
revêtement parmi ceux dont la surface a une dimension fractale au moins égale
à 2,6.
Plus précisément, l'invention telle que revendiquée est un procédé
d'obtention d'une pièce en alliage ferreux possédant une résistance au
grippage
et au collage améliorée, sans risque de perte de dureté ou de déformation,
comprenant une étape de traitement de la pièce en alliage ferreux, ladite
pièce
après traitement comportant un revêtement de sulfure de fer ayant une
première épaisseur et ayant une stoechiométrie correspondant à un rapport
Fe/S entre 0.69 et 0.85, ledit revêtement ayant une surface avec une dimension
fractale au moins égale à 2,6.
Par exemple, les pièces obtenues selon le procédé de la présente
invention supportent une charge de grippage selon le test sur machine
FAVILLE LEVALLY selon la norme ASTM-D-2670 au moins égale à environ
3000 daN avec une tolérance au plus égale à environ 5 % et un nombre de
cycles selon le test de Hamsler au moins égal à environ 300.
L'homme du métier déterminera aisément l'épaisseur et le rapport Fe/S
appropriés. Comme le montrent les Exemples ci-après, une épaisseur trop
faible est insuffisante pour garantir la résistance au grippage malgré une
dimension fractale au moins égale à 2,6, et une épaisseur trop élevée empêche
d'obtenir une dimension fractale au moins égale à 2,6. Ces paramètres devront
être ajustés expérimentalement, au cas par cas.
Avantageusement, on sélectionne le revêtement parmi ceux dont la
surface a une dimension fractale comprise entre 2,65 et 2,75.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on sélectionne le
revêtement parmi ceux ayant une stoechiométrie correspondant à un rapport
Fe/S compris entre environ 0,69 et 0,85.
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Le revêtement sera également favorablement sélectionné parmi ceux
ayant une épaisseur inférieure à environ 15 pm, mieux encore, inférieure à
environ 6 pm.
La dimension fractale est obtenue à partir d'un rugosimètre, par exemple
un rugosimètre 3D de type confocal sans contact dont les caractéristiques sont
les suivantes :
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Résolution latérale 300 nm
Résolution verticale 30 nm
Débattement vertical 1 mm
Les données obtenues à l'aide du rugosimètre sont ensuite introduites
dans un algorithme de calcul spécifique qui en extrait les grandeurs
mathématiques nécessaires à l'obtention de la dimension fractale.
Il faut noter que l'usage d'un rugosimètre de grande résolution est
essentiel pour garantir une mesure précise de la dimension fractale. Il est
également important d'utiliser un rugosimètre sans contact pour garantir
qu'aucune modification de la morphologie de surface n'a été produite lors de
la
mesure des profils de rugosité.
Les revêtements en sulfure de fer des pièces en alliage ferreux sont
obtenus par des traitements connus de l'homme du métier, par exemple par
sulfuration électrolytique en bain de sels fondus selon brevet FR-A-1 406 530,
ou bien sulfuration dans une saumure ou encore sulfuration en bain de sels
comme la Demanderesse l'a démontré dans ses expérimentations.
La présente invention concerne également les pièces sélectionnées
selon le procédé décrit.
Les Exemples suivants illustrent l'invention de façon non limitative.
Exemple 1
Des éprouvettes cylindriques (cylindres) de diamètre 6,35 mm et de
hauteur 40 mm en acier 16 NC6 cémenté trempé rectifié ont été traitées dans
les conditions
ci-dessous :
Condition 1: Sulfuration électrolytique en sels fondus selon brevet
FR-A-1 406 530
- Température de traitement : 190 C
- Temps d'immersion : 15 minutes
- Composition de la saumure (% massique) : SCN" = 62,75 %
Na+ = 7,1 %
K+ =30,15%
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- Densité de courant : 2,8 à 3,2 A/dm2
Condition 2 : Sulfuration dans une saumure
- Température de traitement : 100 à 135 C
- Temps d'immersion : 3 à 10 heures
- Composition de la saumure (% massique) : OH- = 8,50 %
S2082- = 12,10 %
S2032- = 8,86 %
Ci- = 1,52 %
Na+ = 19,02 %
Condition 3 : Sulfuration en bain de sels
- Température de traitement : 180 à 280 C
- Temps d'immersion : 1,5 à 3 heures
- Composition de la saumure (% massique) : OH- = 2,10 %
S2082- = 24,20 %
S2O32- = 17,75 %
HS04 = 33,75 %
NH4 = 6,25 %
Na+ = 15,95 %
Après traitement, les éprouvettes comportent un revêtement de sulfure
de fer. Les éprouvettes sont ensuite huilées puis soumises au test sur machine
FAVILLE LEVALLY (selon ASTM-D-2670) en faisant tourner le cylindre traité
entre deux mors en acier 16NC6 cémenté et trempé sans traitement
supplémentaire. Le test consiste à faire croitre la charge appliquée sur le
cylindre jusqu'à apparition du grippage. On détermine alors la charge de
grippage, les essais ayant été reproduits 5 fois afin d'évaluer la charge
moyenne de grippage ainsi que la dispersion de mesure.
Chaque cylindre est caractérisé avant les essais afin de déterminer la
grandeur fractale de la surface du revêtement après traitement. La dimension
fractale est obtenue à partir d'un rugosimètre 3D de type confocal sans
contact
dont les caractéristiques sont les suivantes :
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Résolution latérale 300 nm
Résolution verticale 30 nm
Débattement vertical 1 mm
Les données obtenues à l'aide du rugosimètre sont ensuite introduites
dans un algorithme de calcul spécifique qui en extrait les grandeurs
mathématiques nécessaires à l'obtention de la dimension fractale.
Selon l'invention, on sélectionne les revêtements dont la surface a une
dimension fractale au moins égale à 2,6.
Les résultats obtenus sont groupés dans le Tableau I suivant et
comparés, dans les mêmes conditions d'essai. A titre comparatif, des
éprouvettes non traitées grippent dès le démarrage de l'essai.
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Tableau I
Traitement du Dimension Rapport Epaisseur Charge
cylindre fractale de la Fe/S de couche de grippage Dispersion
surface du ( 0,2) ( 1 pm) moyenne (%)
revêtement (D) (daN)
Condition 1, 15 2,18 0,80 5 1 600 20
mnà2,8A/dm2
Condition 1, 15 2,23 0,81 5 1 500 20
mn. à 3,2 A/dm2
Condition 2, 2,30 0,80 5 1 600 20
h à 100 C
Condition 2, 2,45 0,79 5 1 700 20
7h à 110 C
Condition 2, 2,55 0,81 5 1 700 20
5 h à 120 C
Condition 2, 2,60 0,80 5 4 800 5
3h à 130 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,78 5 5 200 5
3h à 135 C Conforme à
l'invention
Condition 3, 2,71 0;81 5 5 000 5
2h à 200 C Conforme à
l'invention
Condition 3, 2,79 0,81 5 5 200 5
1 h45 Conforme à
à 250 C l'invention
Condition 3, 2,83 0,79 5 5 100 5
1 h30 à 280 C Conforme à
l'invention
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Les pièces (cylindres) conformes à l'invention présentent une charge de
grippage selon le test sur machine FAVILLE LEVALLY selon la norme
ASTM-D-2670 au moins égale à environ 3000 daN.
On observe en outre que les cylindres revêtus de sulfure de fer conforme
à l'invention ont une charge de grippage environ 3 fois supérieure aux
meilleurs
résultats obtenus jusqu'alors avec du sulfure de fer peu fractal.
Par ailleurs, la dispersion des résultats est 4 fois moins grande lorsque le
sulfure de fer à une grandeur (dimension) fractale supérieure à 2,6.
Exemple 2
Des essais ont été conduits selon la norme DIN 51350 (parties 1 à 5) sur
machine dite "machine 4 billes" pour compléter les tests de grippage et
vérifier
l'influence du rapport Fe/S et de l'épaisseur de la couche de sulfure de fer.
Des disques en acier 15 CrMo4 cémenté trempé pour HRC 60 de
diamètre 60 mm et d'épaisseur 10 mm ont été traités dans les conditions 1, 2
et
3 décrites dans l'Exemple 1 et une condition supplémentaire décrite ci-après :
Condition 4 : Sulfuration dans une saumure.
- T de traitement : 100 à 130 C
- Temps d'immersion : 3 h10
- Composition de la saumure (% massique) : OH" = 10,52%
S2082' = 9,8 %
S2032" = 5,74 %
CI" = 0,55 !o
Na+ =19,12%
Après traitement, les pièces comportent un revêtement de sulfure de fer.
Les essais sont conduits dans un bain d'huile minérale pure à 60 C. Les
charges de grippage moyennes et les dispersions obtenues avec 5 essais sont
regroupées dans le tableau suivant. La dimension fractale de la surface du
revêtement a été mesurée à l'aide du même dispositif que celui décrit à
l'Exemple 1. Les résultats sont donnés dans le Tableau Il.
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Tableau Il
Dimension Rapport Epaisseur Charge de
Traitement fractale de la Fe/S de grippage Dispersion
surface du ( 0,2) couche moyenne (%)
revêtement (D) ( 1 pm) (daN)
Condition 1, 15 2,23 0,81 5 300 20
mn. à 2,8 A/dm2
Condition 1, 15 2,65 0,69 5 1 700 5
mn. à 3,2 A/dm2 Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,78 5 1 700 5
h à 100 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,85 5 1 700 5
7h à 110 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,78 0,5 40 20
5hà120 C
Condition 2, 2,65 0,78 1,5 1 700 5
3h à 130 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,78 10 1 700 5
3h à 135 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,80 15 1 700 5
3h à 130 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,55 0,78 20 320 15
3h à 135 C
CA 02443005 2003-10-03
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Selon l'invention, on sélectionne les revêtements parmi ceux dont la
surface a une dimension fractale au moins égale à 2,6.
On constate qu'en sélectionnant en outre des pièces ayant un
revêtement dont le rapport Fe/S est dans la plage 0,69 à 0,85 la charge de
5 grippage et la dispersion né sont pas affectées. Il en est de même pour des
épaisseurs du revêtement comprises entre 1,5 et 15 pm. En revanche, une
épaisseur de 0,5 pm est insuffisante pour garantir une résistance au grippage,
et, pour une épaisseur de 20 pm il n'est pas possible d'obtenir du sulfure de
fer
de grandeur fractale au moins égale à 2,6.
10 Exemple 3
Pour caractériser la pertinence de la sélection des pièces ayant un
revêtement de sulfure de fer fractal à supporter des conditions difficiles de
contacts avec lubrification aléatoire, un essai de simulation a été conduit en
faisant glisser deux cylindres de diamètre identique l'un contre l'autre à une
vitesse de 5 m.s 1 sous une pression de 1200 MPa. Le contact est alimenté en
huile 600 NS à 80 C (16 cSt) pendant la phase de rodage de 1 heure puis la
lubrification est arrêtée. La lubrification est remise en service dès que le
coefficient de frottement atteint la valeur critique de 0,085 (frottement en
lubrification limite) puis est à nouveau stoppée lorsque celui-ci atteint une
valeur
stabilisée autour de 0,04. L'opération est ensuite répétée et le nombre de
cycles
avant grippage irréversible est comptabilisé.
Les cylindres ont été traités et sélectionnés dans les conditions 1, 2 et 3
décrites précédemment. La dimension fractale de la surface du revêtement de
chaque cylindre a été mesurée à l'aide du dispositif décrit dans l'Exemple 1.
Les résultats obtenus sont regroupés dans le Tableau III.
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Tableau III
Dimension Rapport Epaisseur Nombre Dispersion
Traitement fractale de la Fe/S de couche de cycles (%)
surface du ( 0,2) ( 11am) réalisés
revêtement (D)
Condition 1, 15 2,18 0,80 5 300 20
mnà2,8A/dm2
Condition 1, 15 2,23 0,81 5 1 700 20
mn. à 3,2 A/dm2
Condition 2, 2,30 0,80 5 1 700 20
10hà100 C
Condition 2, 2,45 0,79 5 1 700 20
7h à 110 C
Condition 2, 2,55 0,81 5 40 20
5hà120 C
Condition 2, 2,60 0,80 5 1 700 5
3h à 130 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,65 0,78 5 1 700 5
3h à 135 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,71 0,81 5 1 700 5
3h à 130 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,79 0,81 5 320 5
3h à 135 C Conforme à
l'invention
Condition 2, 2,83 0,79 5 320 5
3h à 135 C Conforme à
l'invention
Selon l'invention, on sélectionne les revêtements parmi ceux dont la
surface a une dimension fractale au moins égale à 2,6.
