DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un organe de guidage, un système mécanique comprenant un tel organe de guidage, et un procédé de fabrication d’un tel organe de guidage.

Le domaine de l’invention est celui des systèmes mécaniques fonctionnant en oscillation, translation ou rotation sous fortes charges et soumis aux chocs en environnement abrasif.

ART ANTERIEUR

De manière classique, un tel système comprend un organe de guidage et un élément mobile, comme décrit dans le document W02006087498.

A titre d’exemple, le système peut former une articulation d’engin de travaux publics ou miniers, de véhicule agricole, de machine industrielle, etc.

Les bagues en bronze, en matériau composite ou en matériau polymère présentent l’avantage, lorsqu’elles sont soumises à des charges importantes, de pouvoir s’accommoder à la géométrie de l’axe et ainsi diminuer les pressions normales. La diminution du facteur p.V (produit de la pression diamétrale p en N/mm ² par la vitesse circonférentielle V en m/s) entraîne alors une diminution de l’usure de la bague.

En revanche, leur faible dureté de surface entraîne une faible résistance à l’usure abrasive.

De ce fait, pour les applications soumises à des charges élevées et à une forte abrasion, il est d’usage d’utiliser des aciers avec des propriétés mécaniques importantes (Re > 800 MPa) et des duretés élevées. Ces aciers sont traités thermiquement et présentent une structure bainitique ou martensitique.

Cependant, du fait de leurs propriétés mécaniques importantes, ces bagues ne peuvent pas s’accommoder aux flexions d’axes. Cela entraîne des facteurs p.V localisés très importants, et par conséquent de l’usure puis du grippage.

EXPOSE DE L’INVENTION

Le but de la présente invention est de proposer un organe de guidage amélioré, remédiant aux inconvénients ci-dessus. A cet effet, l’invention a pour objet un organe de guidage, comprenant un corps muni d’un alésage pour le montage d’un élément mobile, le corps étant constitué d’un matériau métallique, caractérisé en ce que l’alésage a une couche superficielle traitée contre le grippage sur une profondeur de diffusion inférieure ou égale à 0,6 mm, la couche superficielle présentant une dureté supérieure ou égale à 500 Hv1 sur une profondeur comprise entre 5 et 50 pm.

Ainsi, l’invention permet d’obtenir un organe de guidage très performant dans le cadre des applications sous fortes charges et chocs en environnement abrasif, avec un excellent compromis entre résistance au grippage, résistance à l’abrasion et accommodation. L’organe de guidage présente des performances élevées, habituellement obtenues avec des catégories d’aciers nettement plus onéreuses, ainsi que des traitements de surface plus longs et plus profonds. La solution proposée est plus compétitive, avec un rapport performance / prix amélioré.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention, prises isolément ou en combinaison :

- Le matériau métallique est un matériau métallique ferreux.

- Le matériau métallique est choisi parmi les aciers de construction ou les aciers faiblement alliés.

- Le matériau métallique du corps présente une limite élastique Re comprise entre 200 et 600 MPa.

- Le matériau métallique présente une limite élastique Re comprise entre 300 et 600 MPa.

- Le matériau métallique présente une limite élastique Re comprise entre 400 et 500 MPa.

- La couche superficielle est traitée contre le grippage sur une profondeur de diffusion inférieure ou égale à 0,3 mm.

- La couche superficielle présente une dureté supérieure ou égale à 500 Hv1 sur une profondeur comprise entre 25 et 50 pm.

- La couche superficielle présente une dureté supérieure ou égale à 550 Hv1 sur une profondeur comprise entre 5 et 50 pm.

- La couche superficielle présente une dureté supérieure ou égale à 550 Hv1 sur une profondeur comprise entre 25 et 50 pm. L’invention a également pour objet un système mécanique, comprenant un organe de guidage selon l’une des revendications précédentes, et un élément mobile disposé dans l’alésage de cet organe de guidage.

L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un organe de guidage tel que décrit précédemment, ledit organe de guidage comprenant un corps muni d’un alésage pour le montage d’un élément mobile, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes successives suivantes :

- fabriquer le corps en un matériau métallique ;

- réaliser un traitement de surface de l’alésage pour protéger l’organe de guidage contre le grippage, le traitement de surface affectant une couche superficielle de l’alésage sur une profondeur de diffusion inférieure ou égale à 0,6 mm, la couche superficielle présentant après le traitement de surface une dureté supérieure ou égale à 550 Hv1 sur une profondeur comprise entre 5 et 50 pm.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 est une coupe longitudinale d’un système mécanise conforme à l’invention, comprenant un organe de guidage conforme à l’invention, et un élément mobile. [Fig. 2] la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Sur les figures 1 et 2 est représenté un système mécanique 1 conforme à l’invention, comprenant une bague 10 conforme à l’invention, et un arbre 20 disposé dans la bague 10 suivant un axe longitudinal X1.

Le système 1 est conçu pour supporter de fortes charges et/ou des chocs en environnement abrasif. Le système 1 constitue par exemple une articulation d’engin de travaux publics ou miniers, de véhicule agricole, de machine industrielle pour la sidérurgie, etc.

La bague 10 comprend un corps 12 et un alésage 14 de profil cylindrique formé dans le corps 12. L’alésage 14 est prévu pour recevoir l’arbre 20, mobile en rotation autour de l’axe X1 et/ou en translation suivant l’axe X1 , selon un mouvement continu ou alternatif. La bague 10 constitue un organe de guidage de l’arbre 20 en rotation et/ou translation.

L’interface de frottement entre la bague 10 et l’arbre 20, plus précisément entre l’alésage 14 et la surface externe de l’arbre 20, est de préférence lubrifiée. L’alésage 14 peut être lisse ou comporter des cavités faisant office de réserve de lubrifiant, comme décrit dans les documents EP0987456 et W02006087498.

Le corps 12 est constitué d’un matériau métallique présentant une limite élastique Re comprise entre 200 et 600 MPa. Avantageusement, le matériau métallique peut être choisi parmi les aciers de construction ou les aciers faiblement alliés (comprenant au moins 95% de fer et de carbone). Cela réduit fortement le coût de fabrication de la bague 10, tout en procurant plusieurs avantages, détaillés ci-après. Le matériau métallique présente une limite élastique Re comprise de préférence entre 300 et 600 MPa, encore de préférence entre 400 et 500 MPa.

A titre d’exemples non limitatifs, le matériau du corps 12 peut être choisi parmi les matériaux métalliques suivants :

[Tableau 1]

Selon l’invention, l’alésage 14 a une couche superficielle 16 traitée contre le grippage sur une profondeur de diffusion P16 inférieure ou égale à 0,3 mm. La couche superficielle 16 présente une dureté supérieure ou égale à 500 Hv1 sur une profondeur P18 comprise entre 10 et 50pm. La dureté peut être comprise entre 500 et 650 Hv1 , en étant de préférence supérieure à 550 Hv1. La profondeur P18 est de préférence comprise entre 20 et 50 pm. Par exemple, la profondeur de diffusion P16 du traitement de surface anti-grippage appliqué à l’alésage 14 peut être de 0,2 mm, avec une dureté égale à 600 Hv1 sur une profondeur P18 de 30pm. Les profondeurs P16 et P18 ne sont pas à l’échelle sur la figure 2 dans un but de simplification.

De préférence, le traitement anti-grippage est une nitruration.

Si la profondeur P18 durcie est trop faible (< 10 pm), l’endurance à l’usure est trop réduite. Si la profondeur P18 est trop importante (> 50 pm), la couche superficielle 16 devient fragile et moins résiliente, donc sujette à l’écaillage, et présente une capacité d’accommodation plus réduite.

La profondeur de diffusion P16 du traitement de surface anti-grippage est limitée à 0,3 mm afin de conserver les propriétés d’accommodation maximale. Le traitement de surface aura ainsi l’avantage de ne pas s’écailler lorsqu’il sera soumis à des compressions de 4% minimum.

De préférence, la couche superficielle 16 présente une dureté supérieure ou égale à 500 Hv1 , encore de préférence supérieure ou égale à 550 Hv1 , sur une profondeur P18 comprise entre 25 et 50 pm. Une profondeur d’au moins 25 pm permet d’augmenter encore davantage la durée de vie de l’organe de guidage, en augmentant l’endurance à l’usure.

Selon un mode de réalisation particulier, la couche superficielle 16 traitée contre le grippage comprend une couche de combinaison (aussi appelée couche blanche) à la profondeur P18, et une couche de diffusion à la profondeur P16.

De préférence, la couche superficielle 16 traitée contre le grippage comprend en outre une couche intermédiaire, située entre la couche de combinaison et la couche de diffusion.

La couche intermédiaire est de préférence située à une profondeur comprise entre 20 et 50 pm, et de manière davantage préférée entre 25 et 50 pm. Une profondeur P18 d'au moins 25 pm prolonge la durée de vie de la couche intermédiaire, donc celle de l'élément de guidage également, en augmentant la résistance à l'usure. Une profondeur de 50 pm ou moins augmente la résilience de la couche intermédiaire, donc celle de l'élément de guidage également, améliore la capacité d'accommodation, et limite l'écaillage. La couche intermédiaire présente une dureté supérieure ou égale à 500 Hv1 , de préférence supérieure ou égale à 550 Hv1 , sur une profondeur P18 comprise entre 20 et 50 pm, de préférence entre 25 et 50 pm.

La couche intermédiaire se forme lors du traitement contre le grippage, notamment par nitruration ou carbonitruration, lorsque ledit traitement est réalisé à haute température, c’est-à-dire une température supérieure ou égale à 592°C.

La température de 592°C délimite la phase ferritique de la phase austénitique dans le diagramme fer-azote. Au-delà de 592°C, il se forme une phase gN (austénite enrichie à l’azote) qui correspond à la couche intermédiaire décrite précédemment.

Suite à un post-traitement de l’alésage 14, il est possible de contrôler la dureté de la couche intermédiaire. Avec un post-traitement à haute température, on peut aboutir à une couche intermédiaire de dureté élevé, tandis qu’avec un traitement à plus basse température, on peut aboutir à une couche intermédiaire de dureté plus basse. Parmi les post-traitements pouvant être mis en oeuvre, on peut citer notamment une oxydation, par exemple par bains de sels fondus entre 350°C et 500°C, une oxydation par voie gazeuse entre 350°C et 500°C, ou encore une oxydation dans une saumure à ébullition entre 120°C et 160°C.

Comme les matériaux métalliques s’écrouissent lorsqu’ils sont soumis à des charges supérieures à leurs limites élastiques, une fois l’accommodation effectuée, la résistance à la charge des zones sollicitées mécaniquement sera plus grande.

Par rapport aux bagues en matériaux métalliques présentant des propriétés mécaniques importantes (Re > 600 MPa), l’utilisation d’une bague 10 en matériau métallique présentant des propriétés mécaniques moins importantes (Re < 600 MPa) permet de diminuer la pression normale à l’interface entre la bague 10 et l’arbre 20 par accommodation de leurs surfaces en regard, donc de diminuer le facteur p.V, donc de réduire l’usure au sein du système mécanique 1.

Le traitement de surface suit l’accommodation du matériau et apporte une dureté importante en surface, permettant d’avoir une bonne résistance à l’abrasion et une résistance au grippage. De manière inattendue, le système mécanique 1 est finalement plus performant avec la bague 10 selon l’invention en matériau Re < 600 MPa qu’avec une bague en matériau Re > MPa.

Par rapport aux bagues en matériaux composites et matériaux polymères, la bague 10 présente une meilleure résistance à la charge suite à l’écrouissage de la couche superficielle, et une meilleure résistance à l’abrasion grâce à la dureté de surface de la couche superficielle 16 soumise au traitement de surface.

Par rapport aux bagues en bronze (125 < Re < 175 Mpa), laiton (Re ^« 180 Mpa), cupro-alu, la bague 10 présente une meilleure résistance à l’abrasion.

Par rapport aux bagues en acier durci dans la masse ou superficiellement (trempe par induction haute fréquence, cémentation), la bague 10 présente une meilleure résistance au grippage, et une meilleure capacité d’accommodation à la charge.

Par rapport aux bagues présentant un revêtement dur anti-grippage appliqué dans l’alésage (projection thermique, PVD, NI chimique, Cr dur...), nécessitant un matériau ayant des propriétés mécanique importante (Re > 600MPa) pour éviter l’écaillage du revêtement soumis à de l’abrasion et à des chocs, la bague 10 peut être en matériau métallique présentant des propriétés mécaniques moins importantes (Re < 600 MPa), ce qui procure les différentes avantages présentés ci-dessus.

On réalise un essai comparatif mettant en oeuvre deux systèmes mécaniques, comprenant une bague et un arbre mobile en rotation dans la bague pendant 1000 heures.

Lorsque la bague est en acier avec Re > 600 MPa, l’accommodation est insuffisante, les charges sont mal réparties, le facteur p.V est important aux emplacements où les charges sont maximales, conduisant à une usure importante de l’arbre.

Lorsque la bague 10 est conforme à l’invention, avec Re < 600 MPa et traitement de surface anti-grippage, l’accommodation est satisfaisante, les charges sont mieux réparties, le facteur p.V est limité, et on constate que l’usure de l’arbre 20 est bien inférieure au cas précédent.

On cherche à caractériser la bague 10 plus précisément en réalisant une coupe du corps 12 dans un plan radial. Cela permet de montrer l’écrouissage de la bague 10 et une augmentation de ses caractéristiques mécaniques. Le corps 12 a subi une déformation de 3%, c’est-à-dire que le diamètre de l’alésage 14 a augmenté de 3%. La dureté du corps 12, mesurée à 0.6 mm de la surface de l’alésage 14 déformé, passe de 295 Hv0.1 contre 265Hv0.1 avant l’essai, soit une limite élastique à la traction Re passant de 850MPa à 950MPa.

Par ailleurs, le système mécanique 1 peut être conformé différemment des figures 1 et 2 sans sortir du cadre de l’invention.

En variante non représentée, le système 1 peut comprendre un organe de guidage 10 différent d’une bague.

Selon une autre variante non représentée, le système 1 peut comprendre un élément 20 différent d’un arbre, cet élément 20 étant mobile dans l’organe 10 en rotation autour de l’axe X1 et/ou en translation suivant l’axe X1.

Selon une autre variante non représentée, l’organe 10 peut comporter plusieurs alésage 14 ayant une couche superficielle 16 conforme à l’invention.

En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, le système mécanique 1 et l’organe de guidage 10 peuvent être adaptés en termes de coût, de fonctionnalités et de performance.