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Procédé d'obtention de segments de pistons, notamment pour pistons en métal léger des moteurs à combustion.
La présente invention a pour objet un procédé d'obtention de segments d'étanchéité des pistons des moteurs à combustion interne et, en particulier, des pistons en métal léger. Il est connu de fabriquer les segments pour ce genre de pistons en fonte moulée dite fonte grise parce que c'est cette dernière matière qui avait donné jusqu'ici les résultats les meilleurs dans ce but pour toutes sortes de machines à pistons. En tout cas, l'emploi des seg-
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ments en fonte sur des pistons en métal léger coulé présente l'inconvénient non négligeable de dégrader fortement, c'est-àdire d'élargir les gorges du piston destinées à recevoir les segments au bout d'une durée d'utilisation relativement faible de telle sorte que les segments perdent une bonne assise.
Il se produit , en effet , à tout changement de direction du mouvement du piston, notamment sur les surfaces d'appui latérales des gorges des effets de pression qui agissent comme des choc,s et qui sont d'autant plus grands que le poids spécifique du segment est plus élevé. Ces chocs produisent une usure rapide du corps du piston, parce que la matière dont il est constitué est moins dure que la fonte, en particulier aux hautes températures. on a déjà constaté cet inconvénient depuis longtemps et on a par exemple proposé de garnir les gorges des segments, pour les protéger contre une usure trop rapide, de bagues coulées plus dures en acier ou en fonte. Ces moyens ne donnent pas des résultats satisfaisants.
Le piston est plus lourd et plus compliqué ;les dilatations différentes du métal léger et de la fonte ou de l'acier conduisent à des difficultés de fonctionnement et cette solution présente d'autres inconvénients thermiques, sur lesquels on reviendra plus loin. On a déjà aussi proposé dans la littérature d'établir les segments également en métal léger pour que l'usure se produise sur les :segments qui sont moins couteux. Cependant, ces propositions n'ont pas conduit jusqu'à maintenant à des solutions pratiques. Les raisons sont faciles à comprendre. Les segments en métal léger coulé sont peu propres à assurer l'étanchéité pour les hautes pressions qui règnent dans la chambre de combustion d'un moteur, car le métal léger fondu tend beaucoup plus que la fonte grise usuelle à présenter des manques d'étanchéité et des endroits défectueux.
A cela, il y a lieu d'ajouter que les segments en métal léger s'useraient trop rapidement par suite de leur dureté
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à chaud relativement faible eten particulier de leur dureté superficielle sur les faces externes, qui glissent constamment sur les parois du cylindre. Mais surtout, il est également difficile d'obtenir ces segments avec un degré d'élasticité, qui se maintienne aux températures élevées de marche et qui est nécessaire pour assurer un appui étanche durable. Ces inconvénients des segments en métal léger sont considérés à bon droit comme tellement importants qu'on ne peut les mettre en balance avec l'avantage de la réduction de poids.
La présente invention repose d'une part sur la considération que le segment de piston en métal léger présente en plus des avantages d'une réduction de poids et d'un ménagement des gorges du piston, d'autres avantages d'une importance plus grande qui exercent une influence favorable sur la construction et le fonctionnement du piston lui-même et même sur le rendement mécanique et thermique de l'ensemble du moteur à combustion.
L'invention repose d'autre part sur la connaissance qu'on peut éviter les inconvénients des segments en métal léger, qui se sont opposés jusqu'ici à leur emploi pratique, en fabriquant les segments non par coulée, mais par un autre procédé.
Le segment de piston, conforme à la présente invention, se distingue des segments usuels en métal léger par le fait qu'il est formé par un procédé d'agglutination à partir de métal en poudre, c'est-à-dire à partir de poudre de métal, qui est fondue et agglomérée intimement de manière connue sous une forte pression, éventuellement à une température plus ou moins élevée. On peut comme il est connu , par le procédé d'agglutination, .
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former des corps solides à structure très serrée, quand on utilise comme matière première'une poudre métallique à grains très fins. Un segment d'étanchéité obtenu de cette manière est complètement homogène et ne présente pas de cavités ou des endroits déficiants , qui pourraient donner lieu pendant le fonctionnement à des défauts d'étanchiété.
En outre , le procédé d'agglutination permet d'obtenir des alliages , qu'on ne peut pas réaliser en général par coulée ou en tout cas pas d'une manière impeccable. Ce point est important, car, par suite, on réussit à donner au segment en métal léger par addition de métaux lourds toutes les propriétés qui manquent au métal léger lui-même et notamment une résistance et une dureté suffisantes des surfaces de glissement extérieures (particulièrement à haute température ) et en outre une élasticité élevée , une faculté de glissement améliorée et une résistance à l'usure élevée.
On pourrait obtenir ces propriétés sans diminuer notablement la capacité de la conductibilité calorifique, en ajoutant au métal léger une certaine quantité de métaux lourds, comme on le précisera plus loin. Ces métaux lourds sont également préparés sous forne de poudre à grains très fins, mélangés intimement à, la poudre d'aluminium , laquelle peut contenir également des additions de magnésium , de beryllium , de lithium , augmentant la dureté à chaud et pouvant atteindre 1 % et amenés à, agglutination et fusion sous pression élevée à une température convenable .
Si on voulait par la chaleur de la manière usuelle liquéfier et allier les métaux loirds, à haut point de fusion à de l'aluminium , dont le point de fusion se trouve aux environs de 700 C., on rencontrerait de très grandes difficultés du fait des
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différences de fusibilité. certains métaux , comme le chrome , le cobalt, le molybdène et d'autres encore , qui sont en général difficiles à fondre , ne se laissent allier avec l'aluminium que d'une manière longue et coûteuse. biais surtout, il n'est pas possible d'obtenir par un procédé de coulée ces alliages sous une forme homogène, car la solubilité limitée et les compositions eutectiques limitent le nombre des alliages possibles.
Il se produit, même à l'intérieur de ces limites, pendant la coulée simultanée des séparations qui sont dues partiellement aux différences des poids spécifiques et partiellement au fait qu'on ne peut pas maintenir partout la température de coulée suffisamment et régulièrement haute eu égard aux moules. Avec la méthode usuelle d'allier les métaux , il est inévitable que les métaux difficilement fusibles forment pendant le refroidissement des cristaux plus gros inégalement répartis dans la masse ce qui n'améliore pas les qualités des, corps coulés mais encore éventuellement les rend plus mauvais. On n'obtient les résistance;, dureté , élasticité, etc... désirées que par un mélange intime et homogène des divers métaux.
Sinon, il se forme par exemple des parties très dures, qui rendent difficile le travail d'usinage et à côté des parties molles qui présentent une faible résistance etc.. Le procédé d'agglutina tion permet d'éviter ces inconvénients , qui sont propres aux procédés de fusion et de coulée . On peut franchie à volonté les limites résultant des eutectiques ou de la solubilité. Des séparations né peuvent plus se produire, car on a déjà amené les métaux sous forme pulvérulente à l'état de mélanges et de dimensions de grains nécessaires pour la formation des alliages. Les métaux se placent l'un à côté de l'autre de la manière désirée par l'opération d'a- glutination. On évite ainsi sûrement la production de
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masses crista.llines réparties inégalement et dépassait la grandeur des grains.
Par suite, on peut fabriquer de la manière indiquée des segments de piston en métal léger présentant une composition de matières satisfaisant amplement aux conditions pratiques requises en ce qui concerne la dureté à chaud, la faculté de glissement, la résistance à l'usure, la conductibilité calorifique et à l'élasticité permanente. La matière du segment présente une texture régulière qui, par suite de l'absence de gros cristaux, se laisse travailler sans difficulté.
Comme métal lourd particulièrement approprié, qui augmente notablement la dureté à chaud, la résistance à l'usure et l'élasticité , sans pour cela diminuer exagérément la conductibilité thermique , on peut citer le cobalt. Par suite de son point de fusion élevé, il est assez difficile à allier avec l'aluminium. Des essais pour mélanger par fusion d'alliages préliminaires ont échoué par suite des efforts exagérés du creuset de fusion, ce qui rendait le procédé inexploitable.
On a cependant, dans la fabrication des segments de piston en métal léger un gros intérêt à employer des additions de cobalt , car ce dernier ne forme aucun corps cristallisé avec l'aluminium à l'encontre des autres métaux lourds, mais il forme avec lui une combinaison, répondant à la formule CO3Al13, qui présente dans l'application envisagée des propriétés très favorables et confère au segment les propriétés dont il a besoin pour satisfaire aux conditions de son emploi.
Etant donné que le procédé d'agglutination permet de mélanger d'autres métaux lourds n'entrant pas en combinaison avec l'aluminium, sans que l'on soit obligé comme
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par le procédé de fusion à tenir compte des compositions eutectiques, on pourra utiliser à côté du cobalt , des additions de nickel , de cuivre , de manganèse et de chrome, le nickel et le cuivre pour améliorer la conductibilité thermique et les propriétés de glissement, le manganèse et le chromé pour augmenter l'élasticité. Par exemple, on pourra obtenir un alliage par agglutination contenant 10 à 30 % de cobalt, 2 à 5 % de nickel, 1 à 4 % de manganèse, 2 à 5 % de chrome , le restant en aluminium et pouvant contenir des additions de lithium, de beryllium , de magnésium de l'ordre de 1 %.
Un tel alliage présentera une dureté à chaud pouvant atteindre 80 Brinell à 3000 C., une conductibilité calorifique supérieure à 0,3 et une résistance à l'usure suffisamment forte . A titre de comparaison, on rappelle que pour la fonte grise, la dureté à chaud est de 150 Brinell à 3000 C. la conductibilité calorifique de 0,1 et que pour les meilleurs alliages de métaux légers pour pistons, la dureté à chaud est de 45 à 300 et la conductibilité de 0,4.
Les additions de chrome , manganèse et nickel indiquées dans l'alliage d'agglutination précité peuvent être soit totalement , soit partiellement remplacées par des métaux lourds sensiblement équivalents au point de vue métallurgique comme le wolfram, le molubdène, le titane , etc... où il est possible d'obtenir des valeurs qui garantissent une possibilité d'emploi pratique du segment de piston en métal léger agglutiné.
Dans les segments réalisés par coulée, on cherche à obtenir la tension élastique nécessaire par martelage.
Ce procédé n'est pas recommandé pour les segments agglutinés par suite de leur texture réticulaire. Dans le cas présent,
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il est préférable de soumettre le segment terminé à un trai- tement ultérieur par la chaleur, au moyen duquel on lui donne la tension nécessaire pour lui permettre de s'appli- quer sur la paroi du cylindre. On peut arriver à ce résul- tat par exemple en étendant le segment fendu à l'état . brut ou fini sur un mandrin de serrage, en le soumettant pendant un temps assez long à une température convenablement élevée et éventuellement en le trempant. Le segment prend ainsi définitivement la forme, qui lui permet d'exercer une fois monté une pression d'application suffisante sur la paroi du cylindre.
Les propriétés du segment de piston en métal léger obtenu par le procédé d'agglutination pourraient encore être éventuellement améliorées en recouvrant la surface ex- térieure de glissement du segment par un revêtement d'Eloxal, c'est-à-dire comme cela est connu par une oxydation super- ficielle de l'aluminium par voie électrique. Grâce à cette opération, non seulement on augmente la dureté superficielle et par suite on diminue sa capacité d'usure, mais encore on améliore surtout la conductabilité calorifique du segment dans une proportion notable. On a constaté expé- rimentalement que la capacité d'absorber de la chaleur et de la rayonner est augmentée plusieurs fois, ce qui, dans le présent cas , comme on va le montrer, est d'une impor- tance particulière.
On obtient ainsi des segments d'étanchiété en mé- tal léger, dont les propriétés indiquées ci-dessus ne sont nullement inférieures à celles de segments usuels en fonte grise. D'autre part , les premiers sont supérieurs aux seconds sur des points essentiels. Malgré les additions de métaux lourds qui , il est vrai , ne forment qu'une faible portion de la masse, le poids spécifique du segment est /'
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faible et n'est pas de beaucoup supérieur à l'alliage , dont est formé le piston. Par suite , l'usure des gorges des segments du piston est relativement plus faible. Beau- coup plus importants sont les avantages, dont il n'a pas été explicitement question jusqu'à présent et qui sont la conséquence du fait que le segment de piston est en métal léger.
Ainsi, par exemple, la conductibilité calorifique d'un de ces segments est extraordinairement élevée et sen- siblement égale à trois fois celle de la fonte. On peut, il est vrai, augmenter encore cette conductibilité par des additions de métaux lourds. Comme il est connu, en marche, la température maxima se trouve sur le fond du piston, c'est-à-dire sur la face du piston, qui se trouve constamment en contact avec les gaz brûlés. En cet endroit, le piston reçoit constamment de la chaleur qu'il doit éva- cuer par les parois refroidies du cylindre.
Par des me- sures , on a constaté que la température en marche sur la face du piston est d'environ 2500 et que celle- encore ci se monte/approximativement à 2000 à la tête du piston portant les segments , tandis que la partie du piston (jupe du piston) , qui est voisine et habituellement séparée de la tête sur le pourtour soit entièrement, soit pour la plus grande partie par une fente, se trouve à une température d'environ 130 .
Si on admet que la paroi refroidie du cylindre est à une température de 80 , par exemple, on voit que la chute de température est de 120 entre la tête du piston et la paroi du cylindre et seulement de 50 entre la jupe du piston et cette paroi. Il serait avantageux pour le refroidissement du piston de provoquer l'évacuation de la chaleur sur les parois du cylindre là où la différence de température est grande , c'est-à-dire à la tête @
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du piston, mais la tête a généralement un diamètre extérieur plus petit que celui de la jupe ; il reste donc un espace rempli d'huile entre la tête et la paroi du cylindre et conduisant mal la chaleur.
Le transport de la chaleur de la tête au cylindre ne peut se produire que par les segments de piston, qui appuient d'une manière étanche sur la paroi du cylindre. Si les segments sont en fonte, dont la conductibilité n'est égale qu'au tiers de celle du métal léger, il se produit sur la tête du piston une accumulation de chaleur, qui provoque une très forte élévation de la température en marche de cette partie du piston. Cette accumulation de chaleur est dans ces conditions encore augmentée quand les gorges sont, comme il a été indiqué au début, munies d'un revêtement mauvais conducteur en fonte. La partie de la tête du piston portant les gorges reste ainsi à une température qui est très voisine de celle de la face du piston.
Dans ces conditions, la dureté du métal léger diminue très rapidement, comme cela est connu, quand la température s'élève. Alors qu'à froid, elle atteint environ 120 Brinell, elle est déjà tombée à 60 Brinell à 250 .
Cette forte diminution de la dureté est principalement la raison pour laquelle les gorges des segments s'usent, relativement rapidement en marche. On peut s'opposer au mieux à cet inconvénient en prenant soin à ce que la chaleur de la tête du piston puisse d'une manière plus efficace s'écouler vers le cylindre que dans le cas des machines à, piston actuelles. Ce refroidissement notablement amélioré se produit quand le transport de la chaleur aux parois du Gylindre s'effectue par des corps de métal léger, auquel ont encore été ajouté des métaux lourds particulièrement bons conducteurs .
Si par ces additions, on augmente
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un peu le poids spécifique et la dureté des segments, cela n'a aucune importance , étant donné que par une meilleure évacuation de la chaleur , on arrive à ce que la matière de la tête du piston ne se ramollisse pas trop pendant 1 a marche.
A la réduction de la température de marche de la tête de piston sont liés encore d'autres avantages pratiques. Comme indiqué ci-dessus , le diamètre de la tête du piston devait être dans les dispositifs actuels notablement plus petit que celui de la jupe du piston eu égard à l'importance de la dilatation. Alors, par exemple, que les pistons usuels en métal léger des moteurs de véhicules pourraient fonctionner avec un jeu de cinq centièmes de millimètre à la jupe, cela peut monter entre la paroi du cylindre et la tête du piston à environ trois à quatre dizièmes (pour un piston d'environ 80 mm. de diamètre) pour empêcher le piston de gripper.
Il résulte de ces faits qu'en fonctionnement pratique, le film d'huile entre la tête du piston et la paroi du cylindre est toujours notablement plus épais, c'est-à-dire plus mauvais conducteur de la chaleur que celui relativement mince qui se trouve entre la jupe du piston et la paroi du cylindre. L'invention donne ainsi la possibilité de réduire le jeu de la tête du piston et ainsi l'épaisseur du film d'huile, puisque la dilatation de la tête est plus petite. Il se Produit donc en cet endroit un meilleur passage de la chaleur et, par suite, un effet de refroidissement extrêmement efficace. Si la dilatation de la tête du piston est plus petite, il est possible de réduire le jeu entre le fond des gorges des segments et les segments eux-mêmes.
Par suite, en
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cet endroit encore, la couche d'huile ou d'air sera plus fai- ble et , par suite , le transport de chaleur de la tête du piston au segment sera plus grande.
Si la température de marche de la tête du piston est notablement abaissée, l'épaisseur du fond du piston qui doit résister aux efforts maxima pourra être choisie plus faible. On réduit ainsi le poids du piston et on améliore le rendement mécanique du moteur.
En outre, on peut, par suite de la température très diminuée de la tête du piston, en conservant la même épaisseur du fond, augmenter le taux de compression de la machine. Son rendement thermique et, par suite, sa puis- sance , en sont améliorés , et la consommation de combus- tible est diminuée. En particulier dans les moteurs Diesel, dans lesquels les fonds de piston sont coulés, pour résister aux efforts élevés dûs à la chaleur , en plusieurs métaux légers de conductibilité calorifiques 'différentes, on peut les obtenir en une seule matière, ce qui facilite la fabrication et est moins coûteux.
La possibilité de réduire le jeu existant entre la tête du piston et la paroi du cylindre, permet non seulement une meilleure évacuation de la chaleur, mais encore un dépassement plus faible du segment hors de sa gorge. La partie de la surface de ce segment soumise à la pression d'explosion est ainsi plus faible, et, par conséquent, sont réduites les forces de pression qui doivent être supportées par les surfaces portantes des gorges et contribuent à leurs usures.
En outre, il y a lieu de remarquer qu'on réduit les dangers de grippage des segments du fait que l'huile, qui se trouve entre les segments et leurs gorges, est soumise à une température moins élevée. Justement, @
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l'accumulation de chaleur , qui se produit dans les cons- tructions habituelles,, contribue beaucoup au craquage de l'huile et au grippage des segments.
Enfin, on doit noter que par une évacuation plus poussée de la chaleur de la tête du piston, la tem- pérature de marche de la jupe du piston est réduite. cette jupe avec ses coussinets qui reçoivent le pied de bielle du piston a, par suite, une plus grande dureté à chaud, ce qui est important en particulier pour la bonne tenue des coussinets. Ainsi, on réduit toutes les difficul- tés thermiques et mécaniques , qui sont dues au fait que la tête de piston n'est pas en réalité suffisamment libé- rée de la chaleur accumulée et cela dans la mesure où l'emploi de segments en métal léger produit une évacuation plus rapide de la chaleur de la tête du piston à la paroi refroidie du cylindre.