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"PERFECTIONNEMENTS AUX ALLIAGES, ET PISTONS ETABLIS EN CEUX-CI'
La. présente invention se rapporte aux pistons du type léger, formés en métaux ferreux, et a pour objet d'établir un alliage d'acier nouveau et perfectionné prévu spécialement pour la construction de pistons destinés aux moteurs à combustion interne et offrant plusieurs des avantages des pistons en aluminium, sans présenter de nombreux désavantages inhérents aux dits pistons en aluminium.
Les pistons en aluminium sont avantageux en ce sens que l'aluminium est un conducteur de chaleur exceptionnellement bon, de sorte que la transmission de chaleur d'una partie à l'autre
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\du piston est suffisamment rapide pour permettre au piston de t't 'garder une température assez peu élevée, malgré l'application
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de taux de compression relativement élevés.. De plus, l'aluminium étant très léger, il en résulte une réduction des efforts alternatifs s'exerçant sur l'axe de piston et les coussinets de bielle; en outre, l'emploi de pistons en aluminium permet de réaliser un équilibre dynamique avec un minimum de contrepoids sur le vilebrequin. Ces avantages sont suffisamment importants pour faire préférer les pistons en aluminium aux pistons ordinairea en fonte, lorsqu'il s'agit de moteurs à régime élevé.
Toutefois, ces avantages sont accompagnés de certains désavantages inhérents aux pistons en aluminium. Ces défauts résident d'abord dans le fait que l'aluminium possède un coefficient de dilatation élevé, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir des fentes compensatrices, des entretoises ou autres moyens, pour éviter la claquement du piston pendant la période d'échauffement du moteur. Ensuite, l'aluminium possède un coefficient de friction relativement élevé avec la fonte, de sorte qu'il en résulte une usure excessive du piston; de plus, et vu le frottement plus important, la surface du piston atteint une température quelque peu plus élevée que dans la cas de pistons en fonte.
On peut admettre que le plus grand désavantage inhérent aux pistons en aluminium réside dans le fait que ce dernier métal est relativement doux, de sorte que les gorges du piston, destinées à recevoir les segments, se "chanfreinent" ou s'élargissent sensiblement après seulement quelques centaines d'heures d'usage. De plus, l'usure de la jupe du piston a pour effet que ce dernier *oscille* pendant son mouvement alternatif, ce mouvement d'oscillation ayant pour effet d'émousser les arêtes vives des gorgea du piston. Ces deux phénomènes ont pour effet des remontées d'huile importantes dans le moteur.
Une des raisons du passage d'huile au-delà des pistons dans les moteurs
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à combustion interne réside dans le fait que le jeu trèa important qui existe entre les gorgea du piston et les rainures a pour effet que, pendant la course descendante du piston, l'huile est refoulée dans l'espace situé derrière les segmenta, de sorte que, lors de la course descendante suivante, cette huile se dépose sur les parois du cylindre, au-dessus du segment.
Pour éviter ce "pompage" d'huile, il est nécessaire de réduire au minimum le jeu entre les gorgea et les segments.
L'objet principal de la présente invention, comme indiqué ci-dessus, consiste à établir un alliage d'acier pouvant être coulé à parois exceptionnellement minces, de manière à fournir des pistons dont le poids ne sera.pas sensiblement supérieur à celui des pistons en aluminium; or, dans les moteurs à combustion interne du type moderne, destinés aux véhicules automobiles, il importe particulièrement de maintenir la poids des pistons à une valeur minimum, étant donné les vitesses de rotation élevées pour lesquelles ces moteurs sont prévus.
L'établissement d'un moulage à parois très minces présentait jusqu'ici des difficultés presque insurmontables, ceci non seulement du point de vue du problème consistant à disposer d'un métal présentant, à l'état de fusion, une fluidité suffisante pour couler librement dans les espaces étroits du moule, mais aussi en raison de la difficulté qu'on éprouve à empêcher l'apparition de cavités et d'autres défauts dans les moulages, avec, comme résultat, une si grande proportion de rebuts ou mitraille, que l'emploi de moulages à parois très minces s'est avéré pratiquement inapplicable dans la production en masse.
Un autre objet de la présente invention consiste à établir un alliage qui, en plus de sa bonne fluidité lors du moulage, présenterait également des facilita d'usinage.
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Un autre objet de l'invention consiste à établir un piston en un alliage offrant les qualités de résistance à l'usure des métaux ferreux, mais ayant une teneur en carbone plus élevée que les aciers moyens, et de prévoir une méthode de traitement thermique pour cet alliage, lequel traitement aura pour effet que la quantité de carbone en excès sur celle qui entre facilement en solution avec le fer, formera, dans toute la texture, des petits nodules de carbone de trempe, uniformément répartis sur la totalité de la texture.
Un autre objet de la présente invention consiste à établir un piston formé d'un alliage ferreux, lequel piston, après avoir été coulé et soumis à un traitement thermique, présentera une texture offrant les propriétés extrêmement avantageuses d'un acier de haute qualité. Pendant un certain temps, il était courant, dans l'industrie automobile, d'employer des pistons en fonte revêtus de divers métaux, tels que cuivre, plomb et étain, dans le but de réduire le risque de grippage ou de griffage du piston pendant la période de rodage ou période initiale de la mise en service du moteur.
Bien qu'on ait déjà proposé de recouvrir des pistons en fonte avec d'autres mé- taux, tels que argent et cadmium, l'usage du cadmium comme revêtement pour pistons en fonte n'a pas donné entière satis- faction, pour autant qu'on le sache, étant donnée la grande difficulté qu'on éprouve à réaliser un dépôt métallique adhérant et satisfaisant, sur de la fonte, laquelle, comme on le sait, ne se prête pas au recouvrement aussi bien que l'aciero
Un autre objet de la présente invention consiste donc à établir un alliage pour pistons, qui posséderait la propriété d'être susceptible de recevoir facilement un dépôt ou revête- plus ment adhérent d'un métal présentant une/grande résistance à l'usure que le cuivre, le plomb ou l'étain utilisés jusqu'à
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présent pour le recouvrement de pistons en fonte,
et ayant un point de fusion plus élevé (en vue de résister aux températures élevées qui règnent dans les moteurs à combustion interne) que le revêtement en étain qui était utilisé le plus couramment jusqu'à présent
Les objets énumérés ci-dessus, ainsi que d'autres objets de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée ci-après.
Bien que les proportions des constituants de l'alliage perfectionné suivant l'invention puissent varier considérablement dans les limites suivantes
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> .................. <SEP> 1,00 <SEP> à <SEP> 2,00 <SEP> pour <SEP> cent
<tb> Manganèse <SEP> ................ <SEP> 0,50 <SEP> à <SEP> 1,50 <SEP> '
<tb>
EMI5.2
Siliciun ................. 0,50 à l,DO w 9 Cuivre ................... 1, 50 à 3,50-- "
EMI5.3
<tb>
<tb> Phosphore................ <SEP> 0,12 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
<tb> Soufre <SEP> ................... <SEP> 0,16 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
<tb>
Fer <SEP> ...................... <SEP> le <SEP> reste,
<tb>
les multiples essais effectués avec des pistons établia con- formément à la présente invention ont démontré que les meilleurs résultats son obtenus avec un alliage compris dans les limites, plus étroites, de l'analyse ci-après :
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> .................. <SEP> 1,40 <SEP> à <SEP> 1,60 <SEP> pour <SEP> cent
<tb>
EMI5.5
b6anga,nésa ................ 0,60 à 1,00 " " Silicium ...,............. 0,90 à 1930 * u
EMI5.6
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,08 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> "
<tb> Phosphore <SEP> ................ <SEP> 0,10 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
<tb>
Soufre <SEP> ................... <SEP> 0,08 <SEP> le <SEP> * <SEP> max.
<tb> cuivre <SEP> ................... <SEP> 2,50 <SEP> à <SEP> 3,00 <SEP> " <SEP> "
<tb> Fer <SEP> ...................... <SEP> le <SEP> reste.
<tb>
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L'alliage ci-dessus est coulé par des procédés éprouvés de moulage en sable. Après démoulage, les pièces moulées sont chauffées, pendant vingt minutes, jusqu'approximativement 9000 C., et ensuite refroidies, à l'air, pendant trente minutes, jusqu'à 6490 C. au maximum. Les moulages sont ensuite réchauffés jusqu'à 760 C., et maintenus à cette température pendant une heure environ, après quoi ils sont soumis à un refroidissement lent jusqu'à 538 C., refroidissement qui demande une heure environ, pour être ensuite refroidis à l'air jusqu'à la température ambiante.
Le traitement thermique indiqué ci-dessus diffère du traitement thermique de normalisation usuel, la première phase du traitement suivant l'invention ayant pour but de désagréger les grains et d'amorcer une graphitisation secondaire, ainsi que d'assurer une saturation complète de la texture, de manière à obtenir la perlite, le traitement thermique étant arrêté après que les moulages sont restés au point critique pendant un temps assez long pour assurer le résultat visé ci-dessus, mais avant qu'il n'y ait formation appréciable de filaments de graphite.
Le deuxième réchauffage lent et le maintien de la température, moins élevée, de 760 C., assure la précipitation complète de l'excédent de carbone (graphitisation) et la concrétion de cet excédent en petits nodules de carbone de , trempé: et, en morne temps, a pour résultat la transformation de la texture en une perlite globulaire, tandis que la dernier refroidissement lent empêche que le métal ne devienne cassant et que les moulages obtenus ne soient durs, sans présenter les caractéristiques du moulage en coquille.
La texture résultante est perlitique avec le cuivre en solution, ce qui a pour effet d'améliorer la conductibilité thermique à un tel degré que la section transversale ou épaisseur
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de la tête du piston peut être réduite jusqu'à ce qu'elle ne représente, pratiquement, que la valeur requise pour résister aux efforts appliqués sur la tête du piston pendant le fonctionnement du moteur. Etant donné que l'alliage suivant l'invention possède une résistance à la traction d'environ cent mille, livres anglaises par pouce carré, une tête de piston relativement mince, sensiblement plus mince que celle nécessaire dans les pistons en fonte, suffit pour résister aux efforts qui s'y exercent et, grâce à une meilleure conductibilité de la chaleur, il ne se produit pas d'allumage prématuré.
On a obtenu des résultats excellents en ce qui concerne l'autoallumage, en utilisant un piston d'un diamètre de trois pouces, ayant une tête d'une épaisseur de 0,090 à 0,130 pouce et travaillant sous un taux de compression de 6,5. Lorsqu'il est fait usage d'un piston en fonte ordinaire, la tête de piston doit, pour offrir la résistance mécanique nécessaire, présenter une épaisseur plusieurs fois supérieure à celle indiquée.
Un autre avantage très remarquable des pistons établis avec l'alliage faisant l'objet de la présente invention, réside dans le fait que, grâce à la présence d'un excès de graphite sous la forme de carbone de trempe, et à la. présence de cuivre en solution dans la texture, le coefficient de friction est notablement inférieur à. celui de la fonte sur fonte ou de l'aluminium sur fonte. Par conséquent, l'usure des parois des pistons et des cylindres est réduite, et il y a moindre développement de chaleur, ce qui diminue le risque de la destruction de la pellicule d'huile, très importante, entre le piston et le cylindre.
Comme, dans l'industrie automobile, on a toujours éprouvé de la difficulté à assurer la présence de la pellicule d'huile, si importante, entre le piston et le cylindre lorsque le moteur
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est à l'état neuf, ainsi que pendant la période dite de rodage du moteur, il est devenu courant de faire tourner le moteur du véhicule à très faible vitesse pendant les quelques premières centaines de milles. On a donc eu recours au procédé consistant à revêtir les pistons en fonte avec de l'étain, pour remédier dans une certaine mesure à cet inconvénient. Toutefois, l'étain est sujet à devenir fragile lorsqu'il est soumis aux températures de fonctionnement élevées des moteurs actuels à haut régime et à taux de compression élevé.
De plus, le bas point de fusion de l'étain ne lui permet pas de résister à de telles températures* Il a été constaté qu'il est très avantageux de recouvrir les pistons - dont la texture présente toutes les propriétés désirables des aciers de haute qualité, en ce qui concerne l'aptitude à recevoir un dépôt ou revêtement uniforme et parfaitement adhérent constitué par un métal quelconque et établi par des procédés galvanoplastiques - d'un revêtement de cadmium, pour parer aux difficultés rencontrées jusqu'à présent dans l'industrie automobile lors du rodage, ou dans la première période de la mise en service, du moteur, sur les premières quelques centaines de milles parcourues par le véhicule.
Un revêtement de cadmium est en outre de beaucoup supérieur à un revêtement en étain, étant données la plus grande dureté et la plus longue durée du cadmium comparativement à l'étain.
Après avoir été coulés et soumis à un traitement thermique, comme décrit ci-dessus, les pistons sont usinés suivant les dimensions appropriées et ensuite nettoyés dans un décapant électrolytique contenant une solution de lessive de soude, de phosphate trisodique et de potasse caustique, Les pistons sont maintenus plongés. dans cette solution, laquelle est maintenue à une température de 93 à. 98 C. et à travers laquelle on fait passer un courant d'une intensité de 50 à 60 ampères
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par pied anglais carré, sous une tension de 12 volts. Un réservoir en fer est utilisé comme anode et la durée de l'immersion varie entre 1 et 15 minutes, suivant les conditions du travail.
Les moulages sont alors rinces dans l'eau courante froide et sont ensuite plongés dans de l'acide muriatique commercial; ils sont ensuite soumis à un autre rinçage à l'eau froide; cette dernière opération est suivie par une immersion alcaline dans une solution de lessive de soude à 10%; suit un autre rinçage à l'eau froide, après quoi les pistons sont placés dans un bain électrolytique pour l'opération de cadmiage. Le bain consiste en 8 onces anglaises de cyanure de sodium, 31/2 onces d'oxyde de cadmium, 3 onces de soude caustique et 13/4 once de sirop de grain (corn syrup), par gallon d'eau. Un courant d'une intensité de 20 à 25 ampères par pied carré, sous une tension de 6 volts, traverse le bain électrolytique, ce dernier étant maintenu à une température de 38 iL 43 C.
On emploie des anodes à 99% de cadmium, la durée de la. formation du dépôt variant de 10 à 20 minutes, suivant les objets à recouvrir.
Après enlèvement du bain galvanoplastique, les pistons sont soumis à un rinçage à l'eau froide courante et sont ensuite nettoyés à fond à l'eau chaude.
Les pistons établis suivant l'invention peuvent être montés dans les moteurs, et les véhicules qui en sont équipés peuvent immédiatement être mis en service et rouler à la plus grande vitesse sans qu'il en résulte un préjudice pour les pistons, lorsque les véhicules sont entièrement neufs.
Quelque lisse que soit la surface qu'il est possible d'obtenir sur les faces portantes du piston par des procédés d'usinage ordinaires, ou même par polissage, le métal paraît présenter une surface assez fortement "piquée" pour constituer une source de graves dangers pendant la. période initiale de
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fonctionnement, et jusqu'à ce que la surface soit devenue lisse par le frottement. L'application d'un revêtement on cadmium élimine entièrement cette source de danger, étant donné que le dépôt de cadmium vient combler les interstices minuscules de la surface de métal et offre une surface lisse.
Du fait que le cadmium est sensiblement plus ductile que l'alliage du piston, il est très rapidement refoulé dans les interstices de la surface du métal, et ce presque immédiatement après la mise en marche du moteur, et came le cadmium offre une grande résistance à l'usure, le revêtement protecteur constitué par le cadmium subsiste jusqu'à ce que le métal, plus dur, constituant le dit alliage, ait acquis une surface de frottement excellente, très lisse.
Les pistons peuvent être moulés avec une épaisseur de jupe de 0,090 à 0,130 de pouce seulement, tandis qu'après usinage, l'épaisseur de la jupe sera de 0,030 à 0,035 de pouce seulement, à savoir, de l'ordre de 1/32 de pouce. Les déchets et les rebuts, même pour une production massive, sont négligeables, et les résultats obtenus sont entièrement nouveaux, remarquables et inattendus.
REVENDICATIONS.
1 - Une composition particulièrement appropriée à la confection de pistons pour moteurs à combustion interna, comprenant :
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> 1,00 <SEP> à <SEP> 2,00 <SEP> pour <SEP> cent
<tb>
EMI10.2
YèBe .................. 0,50 à 1,80 " *
EMI10.3
<tb>
<tb> Silicium................... <SEP> 0,50 <SEP> à <SEP> 1,50 <SEP> " <SEP> "
<tb> Cuivre <SEP> .................... <SEP> 1,50 <SEP> à <SEP> 3,50 <SEP> "
<tb> Soufre <SEP> .................... <SEP> 0,16 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
<tb> <SEP>
Phosphore <SEP> .................. <SEP> 0,12 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"IMPROVEMENTS IN ALLOYS, AND PISTONS ESTABLISHED THEREIN"
The present invention relates to pistons of the light type, formed of ferrous metals, and it is an object to provide a new and improved steel alloy specially designed for the construction of pistons for internal combustion engines and offering several of the advantages. aluminum pistons, without exhibiting many disadvantages inherent in said aluminum pistons.
Aluminum pistons are advantageous in that aluminum is an exceptionally good heat conductor, so that the heat transfer from one part to the other
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\ of the piston is fast enough to allow the piston to keep a relatively low temperature, despite the application
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relatively high compression ratios. In addition, the aluminum being very light, this results in a reduction in the reciprocating forces exerted on the piston pin and the connecting rod bearings; in addition, the use of aluminum pistons allows a dynamic balance to be achieved with a minimum of counterweight on the crankshaft. These advantages are sufficiently important to make aluminum pistons preferable to ordinary cast iron pistons when it comes to high speed engines.
However, these advantages are accompanied by certain disadvantages inherent in aluminum pistons. These defects reside first of all in the fact that the aluminum has a high coefficient of expansion, so that it is necessary to provide compensating slots, spacers or other means, to avoid the clicking of the piston during the period of overheating of the engine. Second, aluminum has a relatively high coefficient of friction with cast iron, so excessive wear of the piston results; in addition, and given the greater friction, the piston surface reaches a somewhat higher temperature than in the case of cast iron pistons.
It can be assumed that the greatest disadvantage inherent in aluminum pistons lies in the fact that the latter metal is relatively soft, so that the grooves of the piston, intended to receive the rings, "chamfer" or widen appreciably after only a few hundred hours of use. In addition, the wear of the piston skirt causes the latter to * oscillate * during its reciprocating movement, this oscillating movement having the effect of blunting the sharp edges of the piston gorgea. These two phenomena result in significant oil surges in the engine.
One of the reasons for the passage of oil beyond the pistons in engines
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internal combustion lies in the fact that the very large play that exists between the gorgea of the piston and the grooves has the effect that, during the downward stroke of the piston, the oil is forced into the space behind the segments, so that, during the following downstroke, this oil is deposited on the walls of the cylinder, above the segment.
To avoid this "pumping" of oil, it is necessary to reduce the clearance between the gorgea and the rings to a minimum.
The main object of the present invention, as stated above, is to provide a castable alloy steel with exceptionally thin walls, so as to provide pistons whose weight will not be substantially greater than that of the pistons. in aluminium; now, in internal combustion engines of the modern type, intended for motor vehicles, it is particularly important to keep the weight of the pistons at a minimum value, given the high rotational speeds for which these engines are designed.
The establishment of a very thin-walled casting has heretofore presented almost insurmountable difficulties, not only from the point of view of the problem of having a metal having, in the molten state, sufficient fluidity to flow. freely in the narrow spaces of the mold, but also because of the difficulty experienced in preventing the appearance of cavities and other defects in the moldings, with, as a result, such a large proportion of scrap or scrap, that the use of very thin walled castings has proved to be practically inapplicable in mass production.
Another object of the present invention consists in establishing an alloy which, in addition to its good fluidity during molding, would also present machining facilities.
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Another object of the invention is to establish a piston in an alloy offering the wear resistance qualities of ferrous metals, but having a higher carbon content than medium steels, and to provide a heat treatment method for this alloy, which treatment will have the effect that the amount of carbon in excess over that which easily comes into solution with the iron, will form, throughout the texture, small nodules of quenching carbon, uniformly distributed over the entire texture.
Another object of the present invention is to provide a piston formed of a ferrous alloy, which piston, after being cast and subjected to heat treatment, will exhibit a texture offering the extremely advantageous properties of a high quality steel. For some time, it was common in the automotive industry to employ cast iron pistons coated with various metals, such as copper, lead, and tin, in an effort to reduce the risk of the piston sticking or scratching during the break-in period or initial period of commissioning of the engine.
Although it has already been proposed to coat cast iron pistons with other metals, such as silver and cadmium, the use of cadmium as a coating for cast iron pistons has not been entirely satisfactory, however. that we know, given the great difficulty that we experience in producing an adherent and satisfactory metal deposit on cast iron, which, as we know, does not lend itself to coating as well as steel.
Another object of the present invention is therefore to provide an alloy for pistons, which would have the property of being capable of easily receiving a deposit or more adherent coating of a metal having a / greater resistance to wear than copper, lead or tin used up to
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present for the cover of cast iron pistons,
and having a higher melting point (in order to withstand the high temperatures found in internal combustion engines) than the tin coating which was most commonly used heretofore
The objects enumerated above, as well as other objects of the present invention will emerge more clearly from the detailed description below.
Although the proportions of the constituents of the improved alloy according to the invention can vary considerably within the following limits
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<tb>
<tb> Carbon <SEP> .................. <SEP> 1.00 <SEP> to <SEP> 2.00 <SEP> for <SEP> cent
<tb> Manganese <SEP> ................ <SEP> 0.50 <SEP> to <SEP> 1.50 <SEP> '
<tb>
EMI5.2
Silicon ................. 0.50 to l, OD w 9 Copper ................... 1, 50 at 3.50-- "
EMI5.3
<tb>
<tb> Phosphorus ................ <SEP> 0.12 <SEP> "<SEP>" <SEP> max.
<tb> Sulfur <SEP> ................... <SEP> 0.16 <SEP> "<SEP>" <SEP> max.
<tb>
Iron <SEP> ...................... <SEP> the <SEP> remains,
<tb>
the multiple tests carried out with pistons established in accordance with the present invention have demonstrated that the best results are obtained with an alloy within the narrower limits of the following analysis:
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<tb>
<tb> Carbon <SEP> .................. <SEP> 1.40 <SEP> to <SEP> 1.60 <SEP> for <SEP> cent
<tb>
EMI5.5
b6anga, néa ................ 0.60 to 1.00 "" Silicon ..., ............. 0.90 to 1930 * u
EMI5.6
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0.08 <SEP> to <SEP> 0.15 <SEP> "
<tb> Phosphorus <SEP> ................ <SEP> 0.10 <SEP> "<SEP>" <SEP> max.
<tb>
Sulfur <SEP> ................... <SEP> 0.08 <SEP> the <SEP> * <SEP> max.
<tb> copper <SEP> ................... <SEP> 2.50 <SEP> to <SEP> 3.00 <SEP> "<SEP>"
<tb> Iron <SEP> ...................... <SEP> the <SEP> remains.
<tb>
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The above alloy is cast by proven sand casting processes. After demoulding, the molded parts are heated, for twenty minutes, to approximately 9000 ° C., and then cooled, in air, for thirty minutes, to a maximum of 6490 ° C.. The castings are then reheated to 760 C., and held at this temperature for about an hour, after which they are subjected to slow cooling to 538 C., cooling which takes about an hour, to be then cooled to air to room temperature.
The heat treatment indicated above differs from the usual standardization heat treatment, the first phase of the treatment according to the invention having the aim of breaking up the grains and initiating a secondary graphitization, as well as ensuring complete saturation of the texture. , so as to obtain the perlite, the heat treatment being stopped after the castings have remained at the critical point for a time long enough to ensure the result aimed above, but before there is appreciable formation of filaments of graphite.
The second slow reheating and maintaining the temperature, lower, of 760 C., ensures the complete precipitation of the excess carbon (graphitization) and the concretion of this excess in small carbon nodules of, quenched: and, in dreary time, results in the transformation of the texture into a globular perlite, while the last slow cooling prevents the metal from becoming brittle and the resulting castings from being hard, without exhibiting the characteristics of shell casting.
The resulting texture is pearlitic with copper in solution, which has the effect of improving thermal conductivity to such a degree that the cross section or thickness
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of the piston head can be reduced until it represents, in practice, only the value required to withstand the forces applied to the piston head during operation of the engine. Since the alloy according to the invention has a tensile strength of about one hundred thousand English pounds per square inch, a relatively thin piston head, substantially thinner than that required in cast iron pistons, is sufficient to withstand to the forces exerted therein and, thanks to better heat conductivity, premature ignition does not occur.
Excellent results with respect to self-ignition have been obtained using a three inch diameter piston having a head thickness of 0.090 to 0.130 inch and working at a compression ratio of 6.5. When an ordinary cast iron piston is used, the piston head must, in order to provide the necessary mechanical resistance, be several times thicker than indicated.
Another very remarkable advantage of the pistons produced with the alloy forming the subject of the present invention lies in the fact that, thanks to the presence of an excess of graphite in the form of quenching carbon, and to the. presence of copper in solution in the texture, the coefficient of friction is notably lower than. that of cast iron over cast iron or aluminum over cast iron. Consequently, the wear of the walls of the pistons and cylinders is reduced, and there is less heat development, which decreases the risk of the destruction of the very large oil film between the piston and the cylinder.
As in the automotive industry, it has always been difficult to ensure the presence of the oil film, so important, between the piston and the cylinder when the engine
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is in new condition, as well as during the so-called engine break-in period, it became common to run the vehicle engine at very low speed for the first few hundred miles. The process of coating the cast iron pistons with tin has therefore been used to remedy this drawback to some extent. However, tin is prone to become brittle when subjected to the high operating temperatures of today's high speed, high compression ratio engines.
In addition, the low melting point of tin does not allow it to withstand such temperatures * It has been found that it is very advantageous to cover the pistons - the texture of which has all the desirable properties of high steels. quality, as regards the ability to receive a uniform and perfectly adherent deposit or coating consisting of any metal and established by electroplating processes - of a cadmium coating, to overcome the difficulties encountered hitherto in the automotive industry during the break-in, or in the first period of commissioning, of the engine, over the first few hundred miles traveled by the vehicle.
A cadmium coating is furthermore much superior to a tin coating, given the greater hardness and longer life of cadmium compared to tin.
After being cast and subjected to heat treatment, as described above, the pistons are machined to the appropriate dimensions and then cleaned in an electrolytic stripper containing a solution of sodium hydroxide solution, trisodium phosphate and caustic potash. are kept submerged. in this solution, which is maintained at a temperature of 93 to. 98 C. and through which a current with an intensity of 50 to 60 amperes is passed
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per square English foot, at a voltage of 12 volts. An iron tank is used as an anode and the duration of the immersion varies between 1 and 15 minutes, depending on the working conditions.
The casts are then rinsed in cold running water and are then immersed in commercial muriatic acid; they are then subjected to another rinsing with cold water; the latter operation is followed by an alkaline immersion in a 10% sodium hydroxide solution; follows another rinse with cold water, after which the pistons are placed in an electrolytic bath for the cadmium plating operation. The bath consists of 8 ounces of sodium cyanide, 31/2 ounces of cadmium oxide, 3 ounces of caustic soda and 13/4 ounces of corn syrup, per gallon of water. A current of 20 to 25 amps per square foot, at a voltage of 6 volts, passes through the electrolytic bath, the latter being maintained at a temperature of 38 iL 43 C.
99% cadmium anodes are used for the duration of the. formation of the deposit varying from 10 to 20 minutes, depending on the objects to be covered.
After removal from the electroplating bath, the pistons are subjected to rinsing with cold running water and are then thoroughly cleaned with hot water.
The pistons established according to the invention can be mounted in the engines, and the vehicles which are equipped with them can immediately be put into service and run at the highest speed without causing any damage to the pistons, when the vehicles are completely new.
However smooth the surface which may be obtained on the bearing faces of the piston by ordinary machining processes, or even by polishing, the metal appears to present a surface sufficiently "pitted" to constitute a source of serious dangers during the. initial period of
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operation, and until the surface has become smooth by friction. The application of a cadmium coating completely eliminates this source of danger, as the cadmium deposit fills the tiny gaps in the metal surface and provides a smooth surface.
Because cadmium is noticeably more ductile than the piston alloy, it is very quickly forced into the interstices of the metal surface, almost immediately after the engine is started, and cadmium offers great resistance. on wear, the protective coating constituted by cadmium remains until the harder metal constituting the said alloy has acquired an excellent, very smooth friction surface.
Pistons can be molded with a skirt thickness of 0.090 to 0.130 inch only, while after machining the skirt thickness will be 0.030 to 0.035 inch only, that is, on the order of 1/32 inch. Waste and scrap, even for mass production, is negligible, and the results obtained are entirely new, remarkable and unexpected.
CLAIMS.
1 - A composition particularly suitable for making pistons for internal combustion engines, comprising:
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<tb>
<tb> Carbon <SEP> 1.00 <SEP> to <SEP> 2.00 <SEP> for <SEP> cent
<tb>
EMI10.2
YeBe .................. 0.50 to 1.80 "*
EMI10.3
<tb>
<tb> Silicon ................... <SEP> 0.50 <SEP> to <SEP> 1.50 <SEP> "<SEP>"
<tb> Copper <SEP> .................... <SEP> 1.50 <SEP> to <SEP> 3.50 <SEP> "
<tb> Sulfur <SEP> .................... <SEP> 0.16 <SEP> "<SEP>" <SEP> max.
<tb> <SEP>
Phosphorus <SEP> .................. <SEP> 0.12 <SEP> "<SEP>" <SEP> "
<tb>
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