La présente invention concerne, de manière générale, l ’usure liée aux frottements entre deux solides et, plus précisément, l ’ optimisation des frottements entre deux solides pour diminuer les phénomènes d’usure, notamment dans un moteur à combustion de véhicule automobile en régime lubrifié.

Plus particulièrement, l ’ invention se rapporte à un matériau composite comportant une texture de surface et un procédé de fabrication d’un tel matériau composite.

De manière à réduire les frottements dans un moteur à combustion de véhicule automobile, tels que les frottements d’un piston dans l ’ alésage du cylindre, les huiles de lubrification généralement utilisées sont de plus en plus fluides.

Cependant, la diminution de la viscosité de l ’ huile entraîne une augmentation des frottements entre les solides mis en œuvre, conduisant à leur usure prématurée.

Classiquement, des additifs modificateurs de frottement, comme le ZnDDP ou le MoDTC, sont donc aj outés aux huiles pour permettre la création de tribofilm ayant pour fonction de protéger les surfaces et ainsi améliorer le frottement.

Cependant, les matériaux et revêtements utilisés dans les moteurs pour les contacts frottant ne sont pas optimisés pour ces huiles à basse viscosité comportant ces additifs.

L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un matériau composite permettant d’ optimiser les frottements entre deux solides, notamment adapté aux frottements en régime lubrifié en présence d’une huile basse viscosité chargée en additifs modificateurs de frottement.

Il est donc proposé un procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une matrice métallique en alliage à base de fer ou de cuivre, et des charges en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique, le procédé comprenant l ’ élaboration d’une texture de surface comportant la formation de protubérances par mise en relief desdites charges sur tout ou partie de la surface du matériau composite par abrasion mécanique ou attaque chimique.

Le matériau des charges possède des propriétés de résistance mécanique à l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface du matériau composite. Au contraire, la matrice métallique, de dureté inférieure à la dureté du matériau des charges, ne possède pas des propriétés de résistance mécanique suffisantes lui permettant de résister à l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface du matériau composite.

De préférence, la dureté du matériau des charges est supérieure ou égale à 550 Hv.

Selon un mode de mise en œuvre, la matrice métallique est réalisée en acier, de préférence l ’ acier comprenant entre 1 1 , 5 et 13 , 5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.

Avantageusement, les charges peuvent être réalisées en un matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement un acier à outils comprenant entre 5, 5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4, 5 et 5, 5 % en poids de molybdène, entre 3 ,75 et 4, 5 % en poids de chrome, entre 1 ,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0, 8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.

L’invention se rapporte également à un procédé de dépôt d’un matériau composite comme défini précédemment sur un substrat pour former un revêtement, dans lequel le dépôt est réalisé par proj ection thermique, tel que par proj ection dynamique par gaz froid, plasma ou flamme d'oxygène à haute vitesse, ou réali sé par rechargement laser.

L’invention concerne également un matériau composite comprenant une matrice métallique en alliage à base de fer ou de cuivre, des charges en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique, et une texture de surface comportant des protubérances formées par lesdites charges mises en relief sur tout ou partie de la surface du matériau composite.

Avantageusement, la matrice métallique peut être en acier, de préférence un acier comprenant entre 1 1 , 5 et 13 , 5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.

Avantageusement, les charges peuvent être en matériau métallique, de préférence un acier, plus préférentiellement un acier à outils comprenant entre 5, 5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4, 5 et 5, 5 % en poids de molybdène, entre 3 ,75 et 4, 5 % en poids de chrome, entre 1 ,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0, 8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer.

L’invention concerne également un sub strat revêtu d’un matériau composite comme décrit précédemment.

L’invention se rapporte aussi à un système comprenant une première pièce comportant un matériau composite comme décrit précédemment, tout ou partie des protubérances dudit matériau composite étant disposé en regard d’une deuxième pièce, et une huile de viscosité inférieure ou égale à 5W30 disposée entre ledit matériau composite et la deuxième pièce.

Par huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, on entend une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5 mesurée en centistokes à - 18°C et de viscosité inférieure ou égale à 30 mesurée en centistokes à 100°C.

Selon une caractéristique, tout ou partie des protubérances dudit matériau composite étant disposé au contact de la deuxième pièce, et ladite huile comprend au moins un additif modificateur de frottement, de préférence choisi parmi le ZnDDP et le MoDTC.

Selon un mode de réalisation, la première pièce peut être un élément de frottement d’un véhicule automobile, tel qu’un alésage de cylindre, un palier, un palier de vilebrequin, un palier d’ arbre à cames ou une came.

L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant un matériau composite comme décrit précédemment.

D’ autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] est une vue en coupe d’un alésage de cylindre pour moteur à combustion de véhicule automobile selon un mode de réalisation de l ’ invention.

[Fig 2A], [Fig 2B], [Fig 2C] et [Fig 2D] illustrent un système comprenant un alésage de cylindre en matériau composite texturé au contact d’un piston, représenté respectivement à instant T0, T l , T2 et T3.

[Fig 3 ] représente l ’ évolution du coefficient de frottement en fonction du temps mesurée lors d’un essai de frottement pion-plan alternatif. Dans ce qui va suivre, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l ’ expression « compris entre » .

Par ailleurs, l ’ expression « au moins un » utilisée dans la présente description est équivalente à l ’ expression « un ou plusieurs » .

La figure 1 illustre une première pièce 1 comprenant un revêtement 2 en un matériau composite comportant une matrice métallique 3 , des charges 4 et une texture de surface comportant des protubérances 5.

Dans l ’ exemple développé ci-après, la première pièce 1 est un alésage de cylindre de moteur à combustion de véhicule automobile destiné à coopérer avec une deuxième pièce 6 formée par un pi ston.

Selon un autre mode de réalisation, la première pièce 1 peut être un autre élément de frottement, par exemple un palier, un palier de vilebrequin, un palier d’ arbre à cames ou encore une came de véhicule automobile.

La matrice métallique 3 est formée par un alliage choisi parmi un alliage à base de fer, ou d’un alliage à base de cuivre.

En outre, les charges 4 sont formées en un matériau dont la dureté est supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique.

De plus, la texture de surface comporte des protubérances 5 formées par les charges 4 mises en relief sur une surface du matériau composite.

Selon un aspect, l ’ invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un matériau composite comprenant une matrice métallique 3 en alliage à base de fer ou de cuivre, et des charges 4 en matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de la matrice métallique.

En outre, le procédé de fabrication comprend l ’ élaboration d’une texture comportant la formation de protubérances 5 par mise en relief des charges 4 sur tout ou partie de la surface du matériau composite.

Par protubérance, on entend une éminence ou saillie formée par une charge 4 du matériau composite à partir d’une surface du matériau composite.

L’ élaboration de la texture est réalisée par abrasion mécanique ou attaque chimique.

L’ abrasion mécanique peut être réalisée à partir d’ au moins un procédé parmi : un procédé de rodage, de polissage ou de toilage. Une portion de la matrice métallique 3 est ainsi retirée mécaniquement de façon à lai sser apparaître les charges 4 présentent à la surface 2a du revêtement 2. La mise en relief des charges 4 pour former des protubérances 5 par voie chimique peut être réalisée en utilisant une solution permettant de dissoudre le matériau de la matrice métallique 3 au niveau de la surface 2a du matériau composite, sans dissoudre le matériau des protubérances 5.

En outre, les charges 4 sont formées en un matériau dont la dureté est supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique.

La dureté de la matrice métallique 3 ne confère pas des propriétés de résistance mécanique suffisantes pour résister à l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface 2a du matériau composite.

Au contraire, la dureté du matériau des charges 4 confère aux charges 4 des propriétés de résistance mécanique à l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique effectuée sur tout ou partie de la surface 2a du matériau composite.

De cette façon, lors de l ’ étape d’ abrasion mécanique ou attaque chimique, seule la matrice métallique est retirée, laissant apparaître les charges 4 disposées en surface du matériau composite, et formant ainsi des protubérances 5 faisant saillie depuis la surface 2a du matériau composite.

Afin de permettre aux charges 4 de résister à l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique, la valeur minimale de dureté du matériau des charges 4 est, de préférence, égale à 550 Hv.

De préférence, la matrice métallique 3 comprend un acier, plus préférentiellement un acier comprenant entre 1 1 , 5 et 13 ,5 % en poids de chrome, entre 0 et 1 % en poids de manganèse, entre 0 et 1 % en poids de silicium, entre 0 et 0,04 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de carbone, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, connu sous la dénomination d’ acier inoxydable 410L et de structure ferritique.

Les charges 4, et par conséquent les protubérances 5, sont faites à partir de matériaux de dureté supérieure à la dureté du matériau de la matrice métallique 3. Le différentiel de dureté permet une mise en relief naturelle et facilitée lors de l ’ abrasion mécanique ou attaque chimique.

De préférence, les charges 3 sont réalisées en un matériau métallique à base de fer, plus préférentiellement en acier. Les matériaux à base de fer permettent d’ obtenir de bonnes réactions dans des applications en régime lubrifié, notamment avec des additifs modificateurs de frottement aj outés à des huiles de lubrification et facilite la création d’un tribofilm. Le matériau des charges 4 peut comprendre un acier à outils répondant à la norme NF EN ISO 4957, tel qu’un acier à outils comprenant entre 5, 5 et 6,75 % en poids de tungstène, entre 4, 5 et 5,5 % en poids de molybdène, entre 3 ,75 et 4, 5 % en poids de chrome, entre 1 ,75 et 2,20 % en poids de vanadium, entre 0, 8 et 1 % en poids de carbone, entre 0,20 et 0,45 % en poids de silicium, entre 0, 15 et 0,4 % en poids de manganèse, entre 0 et 0,03 % en poids de phosphore, entre 0 et 0,03 % en poids de soufre et le reste de fer, généralement connu sous la dénomination acier à outils M2.

La teneur massique de chaque élément chimique est indiquée par rapport au poids total de l ’ acier considéré.

Selon un autre mode de réalisation, les charges 4 peuvent être réalisées en un matériau métallique à base de Nickel ou à base de Cobalt.

Selon un autre mode de réalisation, les charges 4 peuvent être réalisées en un matériau céramique, par exemple A12O3 , TiO2, ZrO2, ou Cr2O3.

De préférence, le diamètre moyen ou diamètre équivalent moyen des protubérances 5 est compris entre 5 pm et 200pm.

La forme des protubérances 5 peut être sphérique, irrégulière ou former des segments sphériques.

Dans l ’ exemple illustré à la figure 1 , les charges 4 sont des particules sensiblement sphériques de sorte que les protubérances 5 sont également sphériques ou formant des segments sphériques.

L’ obtention de segments sphériques peut être le résultat de l ’ étape d’ élaboration de la texture, notamment lorsque celle-ci est réalisée par abrasion mécanique, et/ou le résultat des frottements entre les première et deuxième pièces 1 et 6, conduisant à l ’ aplanissement des charges 4 faisant saillie à la surface 2a du revêtement en matériau composite.

De préférence, le ratio entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du matériau composite est compris entre 4% et 30%.

De préférence, la différence de hauteur moyenne entre les protubérances 5 et la surface 2a texturée du matériau composite est comprise entre 0,02pm et 2pm.

De préférence, la rugosité Rz de la surface 2a du matériau composite est comprise entre en 0, 1 pm et I pm.

Un autre aspect de l ’ invention se rapporte à un procédé de dépôt d’un matériau composite comme décrit précédemment sur un substrat pour former un revêtement 2. Selon un mode de réalisation, le dépôt peut être réalisé par proj ection thermique, tel que par proj ection dynamique par gaz froid, plasma ou encore flamme d'oxygène à haute vitesse dit proj ection HVOF pour « High Velocity Oxygen Fuel » .

Selon un autre mode de réalisation, le dépôt peut être réalisé par une technique de rechargement laser, également connu sous le nom de « Laser Cladding » .

Dans l ’ exemple illustré, le matériau composite prend la forme d’un revêtement 2, et le dépôt du revêtement 2 en matériau composite sur le substrat, qui dans cet exemple est la première pièce 1 formé par un alésage de cylindre, est réalisé par proj ection dynamique par gaz froid.

Par proj ection dynamique par gaz froid, on entend un procédé de métallisation, plus communément appelé « Cold Spray coating » dans lequel un gaz est accéléré à des vitesses supersoniques dans une buse du type « De Laval » . Le matériau composite métallique sous forme de poudre est introduit dans une partie haute pression de la buse et proj etée vers le substrat.

Au-dessus d’une certaine vitesse, qui est caractéristique pour chaque couple matériau proj eté/substrat, les particules forment à l ’ impact un revêtement 2 dense et très adhérent.

Pour cela, les particules doivent subir une déformation plastique. Le gaz de propulsion est chauffé. Lorsque sa température augmente, la vitesse du gaz croît, ce qui accélère les particules. L’ augmentation relative de la température des particules de la poudre participe à leur déformation au point d’ impact.

Le dépôt par proj ection dynamique à gaz froid conduit à une microstructure homogène du matériau composite métallique avec un taux de porosité bas et un ancrage important sur le substrat.

La technique de proj ection dynamique par gaz froid qui permet d’ obtenir un matériau composite comprenant des charges 4 réparties de façon homogène dans la matrice métallique 3 , conduit ainsi à une répartition homogène des protubérances 5 à la surface 2a du revêtement 2.

Selon une alternative, la première pièce 1 peut être formée par un matériau massif en matériau composite.

Le matériau massif en matériau composite peut être réalisé par fonderie ou par frittage de poudres. Les figures 2A, 2B, 2C et 2D illustrent un système comprenant un alésage de cylindre comportant un revêtement 2 en matériau composite disposé en regard d’un piston, représenté à différents temps T0, T l , T2 et T3.

L’ alésage et le piston, formant des première et deuxième pièces 1 et 6, sont en contact de sorte que le piston forme un élément frottant contre le matériau composite. Les protubérances 5 du matériau composite texturé sont disposées en regard du piston.

Selon un exemple, la deuxième pièce 6 peut être formée par un matériau comprenant de l ’ acier. Le matériau de la deuxième pièce 6 peut être traité ou non traité, et peut être revêtu ou non revêtu.

De plus, une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, comprenant au moins un additif modificateur de frottement, est disposée entre l ’ alésage et le piston pour la formation de film protecteur également nommé tribofilm.

Par 5W30, on entend une huile où 5 correspond à la viscosité à - 18°C mesurée en centistokes et 30 correspond à la viscosité mesurée à 100°C en centistokes.

Par huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5W30, on entend une huile de lubrification de viscosité inférieure ou égale à 5 mesurée en centistokes à - 18°C et de vi scosité inférieure ou égale à 30 mesurée en centistokes à 100°C.

Selon un exemple, l ’ huile de lubrification est une huile de viscosité inférieure ou égale à l ’ huile 0W20 où 0 correspond à la viscosité à - 18°C mesurée en centistokes et 20 correspond à la viscosité mesurée à 100°C en centistokes.

De préférence, les additifs modificateurs de frottement sont choisis parmi le ZnDDP et le MoDTC.

Le système est illustré aux figures 2A à 2C dans un régime de lubrification limite, mixte ou élastohydrodynamique dans lequel l ’ alésage de cylindre et le piston sont en contact.

La figure 2A illustre le système dans un état initial à l ’ instant T0.

Comme cela est illustré sur la figure 2B, à l ’ instant T l , du tribofilm se forme sur les protubérances 5. Le tribofilm se forme sous l ’ effet de la pression et du cisaillement dans le contact tribologique à partir des additifs modificateurs de frottement. Une fois celui-ci formé, le coefficient de frottement se stabilise.

A l ’ instant T2, illustré à la figure 2C, du tribofilm se forme également dans les vallées, c’ est-à-dire sur la matrice métallique 3 disposée entre les protubérances 5, soit par formation directement dans celles-ci, soit par formation sur les protubérances 5 puis balayage dans les vallées.

Enfin, à l ’ instant T3 , illustré à la figure 2D, le tribofilm est totalement ou partiellement éliminé des protubérances 5. Le tribofilm dans les vallées arrive donc à hauteur des protubérances 5 et le système est stabilisé. Le coefficient de frottement est très bas et il n’y a plus d’usure liée aux frottements entre l ’ alésage de cylindre et le piston.

Exemple 1

Une première pièce 1 est revêtue par un revêtement 2 en matériau composite comportant une matrice métallique 3 en acier inoxydable 410L de structure ferritique et de dureté moyenne de 335 Hvo,oi, et des charges 4 en acier à outils M2 de dureté moyenne de 719 Hvo,oi .

Le revêtement 2 a été déposé par proj ection dynamique par gaz froid.

L’ élaboration d’une texture à la surface 2a du revêtement 2 a ensuite été réalisée par polissage en utilisant un abrasif SiC 1200.

Le matériau composite texturé obtenu présente une rugosité Rz de 0, 5 pm et un taux de porosités de 3%.

Le diamètre moyen des particules de charges 4 est de 22 pm et les charges 4 ont une forme quasi-sphérique.

Le ratio entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du revêtement 2 en matériau composite est de 1 1 , 1 %.

La différence de hauteur moyenne entre protubérances 5 et matrice métallique 3 à la surface 2a du revêtement 2 en matériau composite est de 102nm.

La surface 2a du revêtement 2 en matériau composite a été soumise à un essai de frottement pion-plan alternatif, face à un contre-échantillon en acier 100C6 et dans un bain d’ huile 0W 16 contenant des additifs modificateurs de frottement ZnDDP et MoDTC.

La figure 3 représente l ’ évolution du coefficient de frottement en fonction du temps.

On peut voir sur la figure 3 que l ’ instant T3 dans lequel le système est stabilisé est atteint après seulement 800 secondes d’ essai . Le frottement s’ effectue sur les protubérances 5 et sur le tribofilm qui protège la matrice métallique 3. Le coefficient de frottement est extrêmement faible et stable dans le temps. L’usure est rendue quasiment nulle grâce au tribofilm ainsi formé. La texturation du matériau composite comprenant les protubérances 5 permet donc une forte amélioration de la performance des moteurs à combustion, et par conséquent une réduction de leurs émissions de CO2, grâce à la réduction du frottement.

Elle permet en outre une durabilité augmentée des première et deuxième pièces 1 et 6 impliquées dans le frottement grâce à la protection par tribofilm qui conduit à une diminution de l ’usure.

Dans un régime hydrodynamique (non représenté), dans lequel l ’ alésage de cylindre et le piston ne se touchent pas, c’ est l ’ huile qui exerce le frottement en fonction de son épai sseur.

Dans le cas des frottements en régime hydrodynamique, les deux solides du système ne sont pas en contact car l ’ épaisseur de l ’ huile est importante, par exemple en milieu de course dans le cylindre où la vitesse du piston est très élevée. Les frottements sont alors dus au cisaillement de l ’ huile. Plus l ’ épaisseur de film d’ huile est grande, plus les forces nécessaires sont importantes, et par conséquent plus le coefficient de frottement est important.

En régime hydrodynamique, il n’y a pas de formation de tribofilm car les solides ne sont pas en contact. La texture initiale formée par les protubérances 5 ne sera donc pas modifiée. La présence des protubérances 5 du matériau composite permet des réductions locales des forces de cisaillement.

En régime de lubrification où les première et deuxième pièces 1 et 6 se touchent, les protubérances 6 du matériau composite texturé permettent donc la formation d’un tribofilm et ainsi une réduction des frottements.

En régime de lubrification où les première et deuxième pièces 1 et 6 ne se touchent pas, les protubérances 6 du matériau composite texturé permettent une réduction des forces de cisaillement et ainsi également une réduction des frottements.