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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> 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> '
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Siliciun ................. 0,50 à l,DO w 9 Cuivre ................... 1, 50 à 3,50-- "
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<tb> Phosphore................ <SEP> 0,12 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
<tb> Soufre <SEP> ................... <SEP> 0,16 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
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Fer <SEP> ...................... <SEP> le <SEP> reste,
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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> Carbone <SEP> .................. <SEP> 1,40 <SEP> à <SEP> 1,60 <SEP> pour <SEP> cent
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b6anga,nésa ................ 0,60 à 1,00 " " Silicium ...,............. 0,90 à 1930 * u
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<tb> Chrome <SEP> 0,08 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> "
<tb> Phosphore <SEP> ................ <SEP> 0,10 <SEP> " <SEP> " <SEP> max.
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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.
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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> Carbone <SEP> 1,00 <SEP> à <SEP> 2,00 <SEP> pour <SEP> cent
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YèBe .................. 0,50 à 1,80 " *
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<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.
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Phosphore <SEP> .................. <SEP> 0,12 <SEP> " <SEP> " <SEP> "
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