INSERT DE FUT DE CARTER CYLINDRES, PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT, PROCEDE CORRESPONDANT DE REVETEMENT D'UN FUT DE CARTER CYLINDRES ET VEHICULE
[0001 La présente invention concerne un insert de revêtement de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de l'insert. L'invention concerne en outre un procédé de préparation de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres et un véhicule comprenant le carter cylindres dont au moins un fût a été préparé avec le procédé. [0002] Dans le domaine des motorisations thermiques, comprenant notamment les motorisations thermiques de véhicule automobile, un bon état de surface des pièces composant le moteur thermique est souhaité. Concernant le carter cylindres, il est connu d'utiliser une chemise de fût en fonte pour ses propriétés tribologiques. La figure 1 montre une vue de côté d'une chemise 20 en fonte selon l'art antérieur. Cette chemise 20 en fonte est insérée dans le carter cylindres au moment de sa coulée. Après démoulage du carter cylindres, la chemise 20 selon l'art antérieur forme la surface intérieure du fût 82, tel qu'illustré en perspective et en coupe par la figure 2. L'insertion de chemises fonte à la coulée est actuellement la solution la plus appliquée mais aussi la plus robuste et la moins coûteuse industriellement. Par exemple, les avantages de l'utilisation des chemises en fonte graphite lamellaire sont leur faible coût et la rigidité apportée dans un carter cylindres 80 en aluminium. [0003] Lorsque l'on souhaite de meilleures propriétés tribologiques ou un carter cylindres plus léger, des procédés de revêtement thermique des fûts de carter cylindres peuvent être appliqués. La projection thermique d'un revêtement permet d'améliorer les propriétés tribologiques de la surface intérieure des fûts 82 de carter cylindres. La figure 3 illustre un carter cylindres 80 comprenant quatre cylindres 88 délimités par la surface intérieure de fûts 82. Les figures 4A, 4B, 4C et 4D illustrent les différentes étapes d'un procédé connu aboutissant à la création d'un revêtement pour un fût 82 de carter cylindres 80. [0004] Les figures 4A et 4B illustrent des étapes formant un procédé de préparation des fûts de carters cylindres avant l'application de revêtement par projection thermique. Ainsi la figure 4A correspond à un alésage de précision du cylindre 88 (du terme anglais fineboring) à l'aide d'une fraise 70, afin de finaliser la géométrie du fût 82, à la suite du démoulage du carter cylindre 80. La fraise 70 est insérée dans le fût 82, le long de l'axe 78 du fût 82. La figure 4B correspond à la préparation de la surface intérieure d'un fût 82 pour l'application ultérieure d'un revêtement. [0005] Cette étape illustrée à la figure 4B, consiste à créer une rugosité de surface par des techniques essentiellement mécaniques. Cette étape est une rugosification du fût 82 (du terme anglais roughening). Selon la figure 4B, l'étape de rugosification consiste en la projection de particules abrasives 74, par une buse ou torche 72 sur le pourtour de la surface intérieure du fût 82. [0006] Les figures 4C et 4D illustrent des étapes formant un procédé d'application d'un revêtement à la suite du procédé de préparation précédent. Ainsi la figure 4C correspond à la projection thermique, à l'aide d'une buse 96, d'un revêtement 90 sur la surface du fût 82 précédemment préparé. La création d'une rugosité sur la surface intérieure des fûts 82 permet d'améliorer l'adhérence du revêtement 90 appliqué ultérieurement par projection thermique. Pour assurer un bon état de surface, le revêtement projeté 90 est ensuite soumis à un rodage (du terme anglais honing), illustré par la figure 4D, et effectué par exemple à l'aide d'une machine à roder 98. [0007] Différentes technologies de projection thermique de revêtement de fûts 82 appliquées sur carters aluminium ou fonte existent : - le procédé HVOF avec un fil (du terme anglais High Velocity Oxy-Fuel, ce qui correspond à un procédé de projection à la flamme supersonique) développé par General Motors et Sandia Nation Laboratories. Ce procédé est notamment décrit dans le document US 5 271 967. Ce procédé de projection thermique de revêtement est mis en oeuvre après un traitement de surface par jet d'eau haute pression. Ce procédé présente les désavantages suivants : une température des fûts atteinte pendant la projection trop élevée, des taux d'oxydes de fer trop élevés nuisibles aux pressions moyennes de frottement (abrégé en PMF), un angle de pulvérisation limité à 60° maximum ce qui ne permet pas ni une bonne application, ni une bonne microstructure des revêtements projetés. - le procédé de projection par plasma avec poudre développé par Sultzer Metco. Ce procédé est mis en oeuvre après un traitement de surface par sablage. - le procédé de projection plasma à arc transféré (du terme anglais Plasma Transferred Wire Arc, abrégé en PTWA) développé par FSI et Ford. Ce procédé est notamment décrit dans les documents US 5 194 304, US 5 592 927, US 5 714 205 et US 5 820 939. Ce procédé est mis en oeuvre après un traitement de surface mécanique. Dans ce procédé, la torche 96 est alimentée par un fil de fer. Le fil de fer est déroulé en série d'une bobine de fil directement fixée sur la torche 96. - le procédé de projection par arc avec deux fils LDS (du terme allemand Lichtbogen Draht Spritzen) développé par Daimler Chrysler. Ce procédé est mis en oeuvre après un traitement de surface par jet d'eau haute pression. Dans ce procédé, la torche 96 est alimentée par deux fils de fer. Les fils de fer sont déroulés de deux bobines de fil fixées sur la torche 96. Les vitesses de défilement des fils doivent être les plus stables et les plus continues possibles, pour limiter l'apparition de modification localisée du revêtement 90 projeté. [000si En référence à la figure 5, les procédés de revêtement proposés permettent d'obtenir un revêtement 90 sur la surface intérieure d'un fût présentant une épaisseur faible (à gauche de la figure) et donc une masse plus faible en comparaison à une chemise en fonte classique (à droite de la figure). Cependant les procédés de projection thermique présentent divers inconvénients. Ces projections sont coûteuses à mettre en oeuvre dans un processus industriel. Pour ces raisons, ces procédés pour revêtir l'intérieur des fûts de carters cylindres ne sont actuellement appliqués que sur des moteurs de fortes cylindrées tel que V8 ou V10 mais pas ou peu sur les petits carters (4 cylindres en ligne) produits en grandes séries. On peut alors préférer la solution précédente d'insertion de chemises en fonte mais les inconvénients des chemises en fonte sont aussi nombreux : masse importante, conductivité thermique médiocre, coefficients de dilatation différents entre insert et carter. [0009] Il existe donc un besoin pour un nouveau procédé d'obtention de surfaces intérieures de fûts ayant un revêtement lubrifiant ne présentant pas les inconvénients précédents. [0010] Pour cela l'invention propose un insert de revêtement de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres de moteur à combustion interne, l'insert comprenant une matrice polymère et une charge en matériau de revêtement lubrifiant. [0011] Selon une variante, le matériau de revêtement lubrifiant comprend au moins un lubrifiant solide. [0012] Selon une variante, le matériau de revêtement lubrifiant est choisi parmi le groupe de revêtement lubrifiant comprenant : - un matériau à base de fer, - un matériau à base de fer comprenant de la wüstite et/ou de la magnetite ; - un matériau à base de fer avec au moins un ajout de lubrifiants solides tels que le disulfure de molybdène, le nitrure de bore ou le graphite ; - un matériau à base de fer avec au moins un ajout de lubrifiants solides tels que des composés à base de cuivre, à base de molybdène ou à base nickel ; - un matériau à base de cuivre de type bronze avec un ajout de Nickel et/ou de chrome ; un matériau à base de molybdène avec un ajout de nickel et/ou de chrome ; et - un mélange de ceux-ci. [0013] Selon une variante, la matrice polymère consiste en un matériau présentant une température de sublimation inférieure ou égale à 300°C, de préférence inférieure ou égale à 250°C, de façon encore plus préféré inférieure ou égale à 160°C tel que le polystyrène. [0014] Selon une variante, le matériau de revêtement lubrifiant est sous forme de poudre avec une granulométrie inférieure ou égale à 100µm. [0015] L'invention propose aussi un procédé de fabrication de l'insert précédent, le procédé comprenant : - le mélange de la charge en matériau de revêtement lubrifiant sous forme de poudre avec une poudre de polystyrène ; et - la formation de la matrice polymère de l'insert par expansion de la poudre de polystyrène. [0016] Selon une variante, la poudre de polystyrène est composée de billes de polystyrène de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, de préférence inférieur ou égal à 100pm, de façon encore plus préféré inférieur ou égal à 450nm. [0017] Selon une variante, le matériau de revêtement lubrifiant est sous forme de poudre et présente une granulométrie inférieure ou égale à 100pm. [ools] L'invention propose encore un procédé de revêtement de la surface intérieure du fût d'un carter cylindres de moteur à combustion interne, le procédé comprenant : - l'insertion dans le fût de l'insert précédent ; - la sublimation de la matrice polymère et la fusion de la charge sur la surface intérieure du fût par l'apport d'une source d'énergie thermique. [0019] Selon une variante, préalablement à l'insertion de l'insert dans le fût, le procédé comprend la création de rugosités sur la surface intérieure du fût, de préférence par usinage. [0020] Selon une variante, la température de sublimation de la matrice polymère est inférieure à la température de fusion du matériau formant le carter cylindres. [0021] L'invention propose encore un véhicule comprenant un moteur à combustion interne comprenant un carter cylindres dont la surface intérieure d'au moins un des fûts a été revêtue par le procédé précédent. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, une vue de côté d'une chemise en fonte selon l'art antérieur ; - figure 2, une vue en perspective en coupe partielle d'une chemise en fonte selon l'art antérieur intégrée dans un carter cylindres ; - figure 3, un schéma d'un carter cylindres d'un moteur à combustion interne ; - figures 4A, 4B, 4C et 4D, les représentations schématiques des différentes étapes d'un procédé connu aboutissant à la création d'un revêtement thermique pour un fût du carter cylindre de la figure 3 ; - figure 5, une vue en perspective d'une comparaison entre une chemise en fonte selon l'art antérieur et un revêtement lubrifiant selon l'art antérieur ; - figures 6A, 6B et 6C, une vue en perspective, une vue en coupe, et un agrandissement de la vue en coupe pour un mode de réalisation de l'insert proposé ; - figures 7A, 7B, 7C et 7D, une vue en perspective de l'insert selon la figure 6A, et des étapes successives du procédé de revêtement proposé de la surface intérieure d'un fût ; - figures 8A et 8B, des vues en perspective de différentes étapes du procédé proposé de revêtement de la surface intérieure du fût ; - figures 9A, 9B et 10 des vues au microscope et une vue à l'oeil nu de poudre de polystyrène ; - figure 11, une vue schématique d'une culasse formée en polystyrène expansé. [0023] II est proposé un insert de revêtement. L'insert de revêtement proposé est prévu pour être inséré dans un fût de carter cylindres de moteur à combustion interne. Cet insert une fois inséré dans le fût permet de réaliser un revêtement sur la surface intérieure du fût du carter cylindres. Il est alors aussi proposé un procédé de préparation de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres. Ce procédé comprend l'insertion de l'insert dans le fût. Dans la suite de la description, il est fait référence aux figures 1 et 2, pour concrétiser la référence à un fût 82 de carter cylindres 80. [0024] L'insert proposé comprend une matrice polymère et une charge dans cette matrice polymère. La charge est réalisée en matériau de revêtement lubrifiant. La figure 6A montre un mode de réalisation de l'insert proposé 30. La figure 6B montre une coupe radiale de l'insert 30. Cet insert 30 comprend une surface extérieure 38 destinée à venir en contact avec la surface intérieure du fût 82 à revêtir et une surface intérieure 32. L'insert proposé est de préférence de forme cylindrique adaptée à la surface intérieure du fût 82 dans lequel il est prévu qu'il soit inséré. L'insert proposé 30 est inséré après la formation par coulage du carter cylindres 80. La figure 6C montre un agrandissement de la vue en coupe de la figure 6B. Cet agrandissement permet de mettre en évidence la structure de la matrice polymère 34 chargée de matériau 36 de revêtement lubrifiant. La charge en matériau 36 peut être sous forme de poudre ou de particules métalliques et/ou céramiques. [0025] Après l'insertion de l'insert dans le fût 82, le procédé proposé comprend la sublimation de la matrice polymère 34 et la fusion de la charge 36 sur la surface intérieure du fût 82. Une telle étape est mise en oeuvre par l'apport d'une source d'énergie thermique. L'apport d'énergie thermique peut être réalisé par l'insertion d'une torche à l'intérieur du fût 82. Cette torche peut avantageusement former une projection de plasma ou une flamme avec un souffle gazeux. De façon générale, la source d'énergie de fusion de la charge peut être la même source d'énergie que la source d'énergie entraînant la sublimation de la matrice. La sublimation de la matrice polymère et la fusion de la charge sont alors simultanées. Pour ne pas altérer les propriétés du carter cylindres 80, il est préféré que la température de sublimation de la matrice polymère 34 soit inférieure à la température de fusion du matériau formant le carter cylindres 80. [0026] La figure 7A montre l'insert 30 avant la sublimation et la fusion à l'intérieur du fût. Les figures 7B, 7C et 7D montrent des étapes successives d'un mode de réalisation du procédé de revêtement proposé. Après insertion de la torche 62, un apport d'énergie thermique est réalisé avec la projection d'un plasma associé à un souffle gazeux (représenté sous la même référence 64). Le souffle gazeux peut par exemple être un souffle d'air ou d'azote. L'énergie thermique assure la sublimation de la matrice 34 simultanément à la fonte de la charge 36. Le plasma et le souffle gazeux 64 entraînent la charge fondue en matériau 36 présente dans la matrice 34 contre la surface intérieure du fût. La charge 36 est soufflée et plaquée contre la surface intérieure du fût 82. La torche utilisée 62 peut alors être avantageusement la torche 96 de projection thermique précédemment décrite en figure 4D, à la différence que la torche 62 proposée ne projette pas de matériau 36 de revêtement lubrifiant. La figure 7D montre le revêtement de matériau 36 de revêtement lubrifiant obtenu selon le procédé proposé. [0027] Les propriétés tribologiques du revêtement obtenu sur la surface intérieure du fût 82 proviennent des caractéristiques tribologiques intrinsèques du matériau 36 de revêtement lubrifiant. Le matériau de revêtement lubrifiant présente alors de préférence des propriétés tribologiques meilleures que les inserts de chemise en fonte. Ceci peut permettre d'obtenir une diminution des pertes mécaniques par frottement de l'ordre de 10% à 20% par rapport à une chemise en fonte en graphite lamellaire. L'amélioration des propriétés tribologiques permet aussi de diminuer l'usure des segments de pistons prévus pour être reçus dans les fûts 82 ainsi revêtus. Ceci génère indirectement une baisse de la consommation d'huile du moteur à combustion interne et une diminution des émissions de CO2 du moteur à combustion interne. [0028] Pour améliorer les propriétés tribologiques du matériau, le matériau de revêtement lubrifiant comprend de préférence au moins un lubrifiant solide, tel que le graphite, le nitrure de bore, le bisulfure de tungstène (IV), le bisulfure de molybdène. Les lubrifiants solides sont également connus sous les termes anglais dry lubricant et solid lubricant. De façon générale, il est alors avantageux que le matériau de revêtement lubrifiant soit choisi parmi le groupe de revêtement lubrifiant comprenant : - un matériau à base de fer, un matériau à base de fer comprenant de la wüstite et/ou de la magnetite. Ainsi le matériau à base de fer est de préférence riche en wüstite (FeO) et magnetite (Fe3O4) qui sont des composés durs et autolubrifiants qui permettent d'apporter à la matrice de fer de bonnes propriétés tribologiques. - un matériau à base de fer avec au moins un ajout de lubrifiants solides tels que le disulfure de molybdène, le nitrure de bore ou le graphite ; - un matériau à base de fer avec au moins un ajout de lubrifiants solides tels que des composés à base de cuivre, à base de molybdène ou à base nickel ; - un matériau à base de cuivre de type bronze avec un ajout de nickel et/ou de chrome, le nickel faisant office d'agent durcisseur et améliorant la résistance à l'usure, le chrome améliorant la résistance à la corrosion ; - un matériau à base de molybdène, offrant un faible coefficient de frottement avec un ajout de nickel et/ou de chrome, permettant de durcir et d'améliorer la résistance à l'usure de la base de molybdène. Le molybdène est de préférence présent sous la forme d'oxydes de molybdène sous la forme MoO2 ce qui durcit le matériau. - un mélange de ceux-ci. [0029] Le revêtement étant obtenu sans apport par projection de matériau de revêtement lubrifiant contrairement au procédé de revêtement par projection précédemment décrit en relation avec la figure 4C, le procédé et l'insert proposés présentent alors les avantages suivants : - la faculté d'adaptation de la composition chimique de la charge en matériau 36 en fonction de l'application envisagée : résistance au frottement, résistance à l'usure ; présentant ainsi une plus grande faculté d'adaptation par rapport à la charge ou sollicitation du moteur comprenant le carter cylindres obtenu ; de plus des matériaux trop difficiles à mettre en oeuvre par projection arc fils (PTWA ou arc à deux fils) peuvent être utilisés dans l'insert proposé. La difficulté des projections par arc fils peut notamment provenir d'une difficulté de mise en forme du matériau de revêtement en fils pleins; - des adhérences élevées (> 35MPa) pour le revêtement ainsi réalisé avec des propriétés tribologiques et/ou mécaniques comparables, voire améliorées pour le frottement par rapport au procédé par projection thermique tel que PTWA, LDS ou plasma avec poudre et par rapport aux chemises fonte à graphite lamellaire utilisées en série ; - éviter l'apport de matière par projection thermique qui peut être source de problèmes techniques lors d'avancée irrégulière pour les fils ou lors d'un débit irrégulier pour les poudres. [0030] La faculté d'adaptation de la composition chimique de la charge en matériau 36 permet, de plus, d'obtenir des propriétés tribologiques favorables aux différents régimes de lubrification présents dans les fûts, tels qu'un régime hydrodynamique en milieu du fût 82 et un régime mixte en haut et en bas du fût 82. [0031] De plus, lorsque le carter cylindres 80 est réalisé en alliage d'aluminium, le 30 procédé proposé permet un allègement de 30 à 50% de la masse du carter cylindres 80, correspondant à un allègement de 200 g à 300 g par fût 82, par rapport, à l'utilisation connue de chemise en fonte insérée à la coulée. Alternativement le carter cylindres 80 peut être réalisé en fonte. [0032] En définitive, l'invention permet l'obtention d'un procédé d'obtention de surfaces intérieures de fûts ayant un revêtement lubrifiant ne présentant pas les 5 inconvénients des procédés précédemment connus. [0033] Pour obtenir un revêtement suffisamment épais de 200 à 500µm, il est préférable que l'insert 30 soit suffisamment chargé. Pour cela, le matériau 36 de revêtement lubrifiant peut être sous forme de poudre avec une granulométrie inférieure ou égale à 100µm. Des poudres nanométriques en matériau 36 peuvent 10 aussi être utilisées. [0034] Dans ce même but, le rapport entre le volume de charge en matériau 36 de revêtement lubrifiant et le volume de la matrice 34 est avantageusement supérieure à 50%. La quantité de matrice par rapport à la charge en matériau 36 est idéalement la plus faible possible. 15 [0035] Le procédé de revêtement proposé peut comprendre la création de rugosités sur la surface intérieure du fût 82, de préférence par usinage préalablement à l'insertion de l'insert 30 dans le fût 82. Cette rugosification peut être similaire à l'étape décrite en relation avec la figure 4B. [0036] Le procédé de revêtement proposé peut comprendre, après la sublimation 20 et la fusion (figure 8A), le rodage du matériau 36 de revêtement lubrifiant fondu sur la surface intérieure du fût 82 (figure 8B). Ce rodage peut être réalisé par usinage de façon similaire à l'étape décrite en relation avec la figure 4D. Le rodage permet la création de poches de lubrification. Par ailleurs, l'utilisation de l'insert 30 proposé, permet avantageusement la formation de porosité dans le revêtement obtenu du fait 25 de la sublimation de la matrice 34. Ces porosités peuvent être de l'ordre de 2% à 10%. Lorsque les porosités sont ouvertes, elles permettent de créer des poches de lubrification. [0037] II est aussi proposé un véhicule, de préférence automobile, comprenant un moteur à combustion interne comprenant un carter cylindres 80 dont la surface 30 intérieure d'au moins un des fûts a été revêtue par le procédé précédemment décrit. [0038] II est encore proposé un procédé de fabrication de l'insert 30. Le procédé proposé de fabrication comprend le mélange de la charge en matériau 36 de revêtement lubrifiant sous forme de poudre avec une poudre de polystyrène (PS). Le procédé comprend encore la formation de la matrice polymère 34 de l'insert 30 par expansion de la poudre de polystyrène. Le polystyrène s'expanse par polymérisation vers 100°C. Cette température de formation de la matrice polymère est suffisamment basse pour ne pas détériorer la poudre en matériau 36 car ces poudres peuvent correspondre à celles utilisées, à des températures bien supérieures, en projection thermique telle qu'elle a été décrite en relation avec la figure 4C. [0039] En d'autres termes, pour fabriquer l'insert 30, de la poudre métallique de matériau 36 est mélangée aux billes de polystyrène. Une fois expansées et agglomérées, les billes de polystyrène renfermeront ou emprisonneront la charge métallique en matériau 36 introduite sous forme de poudre dans le mélange initial.
On obtient ainsi l'insert 30 en forme de tube aux parois chargées en poudre de matériau 36. [0040] La poudre de polystyrène constitue alors le matériau pour former la matrice polymère. Le polystyrène présente avantageusement une température de sublimation inférieure à 160°C. Le polystyrène PS est disponible sous forme de billes de 100µm ou de 200µm à 2 mm. La charge sous forme de poudre en matériau 36 présente de préférence la même taille que les billes de polystyrène 40 avant expansion. Il est aussi possible d'utiliser des billes de tailles nanométriques, par exemple inférieure ou égale à 450 nm pour favoriser une plus grande charge en poudre de matériau 35. De telles poudres de polystyrène nanométriques sont connues. Les figures 9A et 9B montrent des vues au microscope de telles poudres de polystyrène 40. Ces figures sont issues de « Synthesis of Polystyrene Nanoparticles with Monodisperse Size Distribution and Positive Surface Charge Using Metal Stearates », Mi Sun Kim, Seok Ki Kim, and Jun Young Lee - Macromolecular Research, Vol. 16, No. 2, pp 178-181 (2008). La figure 10 montre une vue à l'oeil nu de ces poudres de polystyrène 40. [0041] La poudre de polystyrène 40 peut avantageusement être mise en forme sous de nombreuses formes, même complexes, sans problèmes particuliers dans des procédés industriels. Ainsi la figure 11 montre une culasse en polystyrène obtenue à partir de poudre de polystyrène 40. La complexité de cet exemple de pièce montre les facilités de mises en oeuvres de la fabrication de forme avec des poudres de polystyrène. [0042] Le polystyrène utilisé pour la formation de la matrice polymère peut avantageusement être remplacé par tout matériau présentant une température de sublimation inférieure ou égale à 300°C ou encore inférieure ou égale à 250°C. Le polystyrène présente l'avantage d'une expansion maîtrisée avec des dégagements de vapeur non toxique. De plus la température de sublimation du polystyrène est inférieure ou égale à 160°C, ce qui facilite la création du revêtement sur la surface intérieure du fût 82. De façon générale, il peut être envisagé d'utiliser tout autre matériau solide autre que le polystyrène, mais ayant une température de sublimation suffisamment basse pour être sublimé par une source thermique industrielle. L'insert 30 ainsi formé est un insert à sublimation. [0043] En prenant en compte le procédé de fabrication de l'insert 30, un procédé global de revêtement de la surface intérieure des fûts 82 de carter cylindres 80 peut être obtenu. Un tel procédé peut alors comprendre les étapes suivantes : réalisation des inserts 30 ; - usinage de la surface intérieure des fûts 82 ; - insertion des inserts 30 dans les fûts 82 ; - sublimation de la matrice 34 et projection thermique de la charge en fusion sur les surfaces intérieures des fûts 82 ; ^ alésage pour redonner la géométrie du cylindre 80 au fût 82 ; - rodage, par exemple composé d'une ébauche, d'une finition et d'un plateau.