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MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de B R E V E T D'INVENTION "ALLIAGE PERFECTIONNE ET SON PROCEDE DE FABRICATION"
La présente invention est relative à des alliages et au procédé de fabrication de ceux-ci et vise à établir un alliage d'acier spécialement approprié pour la construction des pistons pour moteurs à combustion interne, pistons qui offriraient la plupart des avantages des pistons en aluminium, sans présenter plusieurs des inconvénients inhérents à ces derniers.
Les pistons en aluminium présentent un avantage en ce sens que l'aluminium est extrêmement bon conducteur de chaleur, de sorte que la transmission de la chaleur d'une partie à l'autre du piston est suffisamment rapide pour permettre au piston de
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rester relativement froid, malgré l'application de taux de compression élevés. En outre, l'aluminium étant très léger, il en résulte une diminution des efforts alternatifs s'exer- çant sur les axes de piston et sur les coussinets de la bielle; de plus, il suffit de prévoir un minimum de contrepoids sur le vilebrequin pour obtenir une marche équilibrée. Ces avantages sont suffisamment importants pour donner au piston en aluminium une préférence sur le piston en fonte ordinaire dans les mo- teurs à régime élevé.
Toutefois, à côte de ces avantages, les pistons en aluminium possèdent également certains défauts inhérents. Ces défauts résident en premier lieu dans le fait que l'aluminium possède un coefficient de dilatation élevé, de sorte qu'on est obligé de prévoir des fentes de compensa- tion, des plaquettes en métal invar ou d'autres moyens destinés à empêcher le piston de battre contre les parois du cylindre pendant la période d'échauffement du moteur ; d'autrepart, l'aluminium possède un coefficient de frottement relativement élevé avec la fonte, d'où il résulte une usure excessive du piston, tandis que la surface du cylindre atteint une tempéra- ture légèrement plus élevée que dans le cas où il aurait été fait usage de pistons en fonte, ceci en raison du coefficient de frottement plus élevé.
On peut affirmer que le plus grand défaut inhérent aux pistons en aluminium réside dans le fait que ce dernier métal est relativement mou, de sorte que les rainures des segments de pistons se trouvent "refoulées" ou élargies considérable- ment après seulement quelques cents heures de fonctionnement.
En outre, l'usure de la manchette du piston a pour effet un "flottement" de ce dernier pendant son mouvement alternatif, avec, came résultat, l'usure des arêtes vives des rainures de
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segments. Ces deux phénomènes ont pour effet que le moteur aspire une quantité d'huile considérable. Une des raisons pour lesquelles l'huile passe au-delà des pistons dans les moteurs à combustion interne réside dans le fait qu'un jeu exagéré entre les rainures de segments et les segments permet, pendant la descente des pistons, le refoulement de l'huile dans l'espace situé derrière le dit segment, de sorte que'pen dant la descente suivante du piston, cette huile est déposée sur la paroi du cylindre au-dessus du segment.
Pour empêcher une aspiration d'huile par le moteur, il est nécessaire que le jeu entre les parois des rainures et les segments soit minime.
L'alliage pour pistons suivant la présente invention possède sensiblement le même coefficient de dilatation que la fonte entrant dans la constitution des segments de piston et présente une dureté et une résistance à l'usure suffisantes, de sorte que tout élargissement appréciable des dites rainures est évité. Pour cette raison, les segments s'adaptent très exactement dans les rainures même après plusieurs centaines d'heures de f onctionnement.
La présente invention consiste à établir une composition particulièrement appropriée à la fabrication de pistons pour moteurs à combustion interne et constituée par :
EMI3.1
<tb> Carbone <SEP> 1,40 <SEP> - <SEP> 1,70 <SEP> pour <SEP> cent
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,90 <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,12- <SEP> 0,16 <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,90 <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 1,50 <SEP> - <SEP> 2,00 <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,12 <SEP> (Max.)
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> le <SEP> restent.
<tb>
Le métal ci-dessus peut être considéré comme unique parmi les alliages d'acier, en ce sens qu'il est extrêmement bon conducteur de chaleur, permettant ainsi de prévoir une tête de
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piston d'épaisseur minimum, cette amélioration de la conducti- bilité thermique étant obtenue grâce au liant sous forme de - cuivre, prévu dans cet alliage. En outre, l'alliage suivant l'invention est très fluide, permettant ainside couler,sui- vant des méthodes rationnelles, des nervures et des parois de piston relativement minces.
En outre, la teneur en soufre est particulièrement élevée dans l'alliage suivant l'invention, vu qu'elle est trois à quatre fois plus élevée que la teneur maximum généralement permise dans la f onte. L'expérience a démontré qu'avec une telle combinaison d'éléments, une haute teneur en soufre assure un usinage plus facile, ce qui est un point important lorsqu' il s'agit d'usiner des pièces coulées à parois minces.
On peut affermer que toutes les caractéristiques spécifiées jouent un rôle important, étant donné que sans une conductibi- lité thermique élevée, un piston ayant une tête, des nervures et une manchette légères,n'aurait pas pu être utilisé dans un moteur à taux de compression élevé ; quesans la fluidité du métal, il n'aurait pas été possible de couler des éléments aussi légers ; et que sans la caractéristique d'usinage facile, il aurait été impossible d'usiner, d'une manière économique, des pistons à parois aussi minces.
L'alliage suivant l'invention est obtenu en partant des constituants ci-après, utilisés dans des proportions limitées comne suit :
EMI4.1
<tb> Carbone <SEP> 1,40 <SEP> - <SEP> 1,70 <SEP> pour <SEP> cent
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,90 <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> "
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<tb> Soufre <SEP> 0,12 <SEP> - <SEP> 0,16 <SEP> " <SEP> "
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<tb> Silicium <SEP> 0,90 <SEP> - <SEP> 1,10 <SEP> " <SEP> "
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<tb> Cuivre <SEP> 1,50 <SEP> - <SEP> 2,00 <SEP> " <SEP> "
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<tb> Phosphore <SEP> 0,12 <SEP> - <SEP> (Max.)
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<tb> Fer <SEP> le <SEP> restant.
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L'alliage ci-dessus est coulé par le procédé courant de moulage en sable, mais il est préférable de donner un double recuit aux pièces ainsi formées. Ces pièces sont d'abord chauffées jusqu'à environ 1650 F., puis refroidies à l'air.
Les dites pièces sont ensuite chauffées jusqu'à environ 1400 ?., puis refroidies lentement jusqu'à environ 1000 . Après cela, on laisse les pistons se refroidir à l'air jusqu'à la tempéra- ture de chambre. Avec un tel alliage et un traitement thermique tel que décrit, on obtient facilement une dureté Brinell N 207-286, la matière ainsi établie présentant une résistance à la traction d'environ 100.000 livres par pouce carré.
Pour le traitement thermique décrit ci-dessus, on utilise du carbone sous forme de carbone de trempe et non pas sous forme d'écailles de graphite. Ceci contribue dans une large mesure à augmenter la solidité de l'alliage, ainsi que la ré- sistance à l'usure du métal. En outre,, une caractéristique de l'alliage perfectionné réside dans le fait que le cuivre est maintenu en solution par le silicium.
Un avantage important du nouvel alliage pour pistons réside dans le fait que le cuivre forme un liant ou un réseau de veines réparti à travers toute la masse de l'alliage, ce qui a pour effet d'améliorer la conductibilité thermique de celui-ci dans une mesure telle que la section transversale ou épaisseur de la tête du piston peut être réduite jusqu'à ne présenter, pratiquement, que les dimensions nécessaires pour permettre à la dite tête de résister aux efforts mécaniques.
Etant donné que la matière suivant l'invention possède une résistance à la traction d'environ 100.000 livres par pouce carré, une tête de piston relativement mince, beaucoup plus mince que cela ne serait nécessaire dans le cas de pistons en
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fonte, suffit pour supporter les efforts auxquels elle est soumise, tandis que la conductibilité thermique améliorée permet d'éviter l'auto-allumage. On a obtenu d'excellents résultats en ce qui concerne l'auto-allumage, en employant un piston de trois pouces de diamètre avec une tête d'une épaisseur de 0,09 pouce seulement, sous une compression de 6,5 atmosphères,alors que dans un piston en fonte ordinaire, la tête du piston doit présenter une épaisseur plusieurs fois supérieure pour offrir la résistance mécanique nécessaire.
Avec un piston en acier ordinaire, il est nécessaire d'augmen- ter l'épaisseur de la tête de 50% pour éviter l'auto-allumage, vu la conductibilité thermique moins élevée de.l'acier.
Un autre avantage obtenu par l'emploi de l'alliage per- fectionné suivant l'invention réside dans le fait que le coefficient de frottement de cet alliage avec un cylindre en fonte est beaucoup moins élevé que le coefficient de frotte- ment entre fonte et fonte et que le coefficient de frottement d'aluminium sur fonte. Par conséquent, les parois du piston subissent une moindre usure et le développement d'une chaleur susceptible de détruire la pellicule ou film d'huile entre le piston et le cylindre est moins considérable.
Certaines modifications peuvent être apportées à la com- position et au traitement thermique de l'alliage perfectionné suivant l'invention, sans se départir de l'esprit de celle-ci, et les revendications qui suivent sont cencées couvrir les modifications pouvant être raisonnablement comprises dans le domaine de la dite invention.