CA1237919A - Chemises de moteurs a base d'alliages d'aluminium et de grains de silicium calibres et leurs procedes d'obtention - Google Patents
Chemises de moteurs a base d'alliages d'aluminium et de grains de silicium calibres et leurs procedes d'obtentionInfo
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Abstract
PRECIS DE LA DIVULGATION:
Chemises de moteurs à explosion ou à combustion interne à base d'alliages d'aluminium-silicium et de grains de silicium et à leurs procédés d'obtention caractérisée en ce que ces grains sont soigneusement calibrés et dispersés dans la matrice d'alliage. Ces chemises peuvent également contenir au moins un composé intermétallique tel que le Ni3Sn par exemple. Ces chemises sont obtenues par filage ou frit-tage d'un mèlange de poudres. L'invention trouve son appli-cation notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie où on cherche à disposer d'ensembles chemise-piston de bonne compatibilité à partir d'alliages d'aluminium.
Chemises de moteurs à explosion ou à combustion interne à base d'alliages d'aluminium-silicium et de grains de silicium et à leurs procédés d'obtention caractérisée en ce que ces grains sont soigneusement calibrés et dispersés dans la matrice d'alliage. Ces chemises peuvent également contenir au moins un composé intermétallique tel que le Ni3Sn par exemple. Ces chemises sont obtenues par filage ou frit-tage d'un mèlange de poudres. L'invention trouve son appli-cation notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie où on cherche à disposer d'ensembles chemise-piston de bonne compatibilité à partir d'alliages d'aluminium.
Description
~.%~7~3 La présente inven-tlon concerne des chemises de moteurs a base d'alliages d'aluminium et de yrains de sili-cium calibres e-t leurs procédés d'ob-tention.
En particulier la présente invention est relative a des chemises de mo-teurs a explosion ou a combustion interne dont la structure présente des grains de silicium calibrés et dispersés dans une matrice d'un alliage d'aluminium-silicium eutectique. Elle concerne également quelques uns des procédés d'obtention de ces chemises.
Les chemises de moteurs a base d'aluminium ne sont pas nouvelles mais leur utilisation a toujours posé des pro-blemes de compatibilité de leur surface de travail avec les élements de moteurs tels que les pistons qui sont en contact avec elles. On a cherche ~ pallier les difficultés rencon-trees de differentes façon telles que prevoir un chemisage en acier, revêtir la surface de l'alesage du cylindre de metaux plus durs comme le fer ou le chrome, sans toutefois pouvoir les surmonter completement.
Puis, on s'est tourne vers des alliages ayant une meilleure tenue mecanique tels que les aluminium-silicium hype`reutectiques mais, on s'est alors aperçu qué les cristaux de silicium primaire qui apparaissent lors du moulage de la chemise avaient, du fait de leur taille relativement grande et de leur forme anguleuse, une tendance fâcheuse a rayer la surface des pistons et on a ete ainsi amene a proteger la surace de ces derniers par un revêtement.
C'est alors que, voulant neanmoins beneficier de certains avantages apportes par les ~-S hypereutec-tiques, on a cherche a changer la structure de ces alliages notamment au niveau des grains de silicium pour essayer de leur confe-rer la compatibilité nécessaire sans avoir recours h des traitements de surface ultérieurs. Parmi les tentatives faites, il faut citer:
- d'une part, toutes celles consistant a modifier -- l -- ~i,~
.
~23~79~¢~
la structure de coulée telles que celles decrites dans le brevet fran~ais 1 441 860 delivre le 2 mai 1966 avec comme inventeurs Gilbert Ralph S~OCKLEY et al. o~ on procede a une attaque acide de la matrice d'aluminium de maniere a mettre en relief les grains de silicium puis on realise un polissage de ces grains, - d'autre part, celles visant à obtenir une nou-velle structure de coulée. C'est le cas du brevet francais
En particulier la présente invention est relative a des chemises de mo-teurs a explosion ou a combustion interne dont la structure présente des grains de silicium calibrés et dispersés dans une matrice d'un alliage d'aluminium-silicium eutectique. Elle concerne également quelques uns des procédés d'obtention de ces chemises.
Les chemises de moteurs a base d'aluminium ne sont pas nouvelles mais leur utilisation a toujours posé des pro-blemes de compatibilité de leur surface de travail avec les élements de moteurs tels que les pistons qui sont en contact avec elles. On a cherche ~ pallier les difficultés rencon-trees de differentes façon telles que prevoir un chemisage en acier, revêtir la surface de l'alesage du cylindre de metaux plus durs comme le fer ou le chrome, sans toutefois pouvoir les surmonter completement.
Puis, on s'est tourne vers des alliages ayant une meilleure tenue mecanique tels que les aluminium-silicium hype`reutectiques mais, on s'est alors aperçu qué les cristaux de silicium primaire qui apparaissent lors du moulage de la chemise avaient, du fait de leur taille relativement grande et de leur forme anguleuse, une tendance fâcheuse a rayer la surface des pistons et on a ete ainsi amene a proteger la surace de ces derniers par un revêtement.
C'est alors que, voulant neanmoins beneficier de certains avantages apportes par les ~-S hypereutec-tiques, on a cherche a changer la structure de ces alliages notamment au niveau des grains de silicium pour essayer de leur confe-rer la compatibilité nécessaire sans avoir recours h des traitements de surface ultérieurs. Parmi les tentatives faites, il faut citer:
- d'une part, toutes celles consistant a modifier -- l -- ~i,~
.
~23~79~¢~
la structure de coulée telles que celles decrites dans le brevet fran~ais 1 441 860 delivre le 2 mai 1966 avec comme inventeurs Gilbert Ralph S~OCKLEY et al. o~ on procede a une attaque acide de la matrice d'aluminium de maniere a mettre en relief les grains de silicium puis on realise un polissage de ces grains, - d'autre part, celles visant à obtenir une nou-velle structure de coulée. C'est le cas du brevet francais
2 225 534 publie le 8 novembre 1974 avec comme inventeur David Charles JENKINSON dans lequel la chemise est moulee dans des conditions de refroidissement telles qu'elle ne presente aucune phase de silicium primaire mais au contraire des p~rticules ~ibreuses ou spheroldisees de dimensions inferieures à 10 ~m.
Plus recemment, la demanderesse dans son brevet 2 343 895 publie le 7 octobre 1977 avec comme inventeurs Rene PERROT et Jean-Louis MAZODIER s'est aussi tournee vers une nouvelle structure d'A-S hypereutectiques mais en substi-tuant au procede de coulee celui du filage de poudres obte-nues par atomisation. Une telle technique presente, en effet, l'avantage de mettre en oeuvre des poudres formees avec une grande vitesse de refroidissement et dans lesquelles les grains de silicium primaire ont une taille relativement petite et en tout cas inferieure a celle resultant de la coulee classique. Cette taille n'est pas modifiee par le filage et on obtient ainsi une nouvelle structure presentant des particules de silicium fines et bien reparties qui ame-liorent sensiblement la compatibilite de la chemise avec le piston.
Toutefois, au cours d'essais dans des conditions particulièrement sevères, on observe neanmoins une deterio-ration de la chemise.
A la suite d'une étude poussee du phenomène, on a alors constate qu'il etait lié a la trop grande finesse des ~3'7~
grains de silicium. A partir de ces resultats, la demande-resse a pris consci~nce qu'il était possible d'améliorer encore cette compatibilité. C'est pourquoi, elle a élaboré
des chemises dont la structure présente des grains de sili-cium soigneusement calibrés dans une fourchette de granulo-métrie relativement étroite, se situant en moyenne au-dessus du maximum ayant conduit a un mauvais comportement et en-/
- 2a -..f ~;~3~
dessous de celle trop grossière des produits coulés.
Selon la présente invention, il est prévu une chemise de moteur à combustion interne obtenue par métallur-gie de poudre à partir de grains d'alliages d'aluminium-silicium et de silicium, caractérisée en ce que la structureprésente une matrice d'aluminium-silicium eutectique c'est-à-dire essentiellement exempte de grains de silicium primaire dans laquelle ont été distribues des grains de silicium ayant tous une dimension comprise entre 20 et 50Jum.
L'alliage peut éventuellement contenir d'autres éléments d'addition qui contribuent à améliorer ses carac-téristiques mécaniques ou certaines propriétés en relation avec le comportement au frottement ou à l'usure.
Donc comme décrit plus haut, dans cette matrice, sont distribués des grains de silicium calibrés, c'est-à-dire répondant à une courbe de granulométrie la plus resserrée possible et dont les dimensions sont de toute façon comprises entre 20 et 50Jum. Sont ainsi exclues toutes les particules fines de silicium ainsi que les grains de trop grande taille qui contribuent à diminuer la compati-bilité recherchéeO
De plus, pour obtenir un compromis favorable entre les qualités apportées d'une part par la matrice, d'autre part par les grains de silicium, on a pu constater qu'une proportion en poids de 5 à 15% de grains de silicium par rapport à la masse de la chemise convenait très bien.
Ces grains de silicium ont une pureté supérieure à 99,5~ et de préférence une teneur en calcium inférieure à 300 ppm. Ils peuvent éventuellement être traités pour en éliminer le fer. Leur faciès est différent en fonction du mode d'obtention. Ainsi, on peut avoir non seulement des grains classiques préparés par broyage et tamisage, mais également des grains fabriqués par pulvérisation de silicium liquide qui présentent un contour plus arrondi.
En ce qui concerne la matrice en alliage d'alumi-
Plus recemment, la demanderesse dans son brevet 2 343 895 publie le 7 octobre 1977 avec comme inventeurs Rene PERROT et Jean-Louis MAZODIER s'est aussi tournee vers une nouvelle structure d'A-S hypereutectiques mais en substi-tuant au procede de coulee celui du filage de poudres obte-nues par atomisation. Une telle technique presente, en effet, l'avantage de mettre en oeuvre des poudres formees avec une grande vitesse de refroidissement et dans lesquelles les grains de silicium primaire ont une taille relativement petite et en tout cas inferieure a celle resultant de la coulee classique. Cette taille n'est pas modifiee par le filage et on obtient ainsi une nouvelle structure presentant des particules de silicium fines et bien reparties qui ame-liorent sensiblement la compatibilite de la chemise avec le piston.
Toutefois, au cours d'essais dans des conditions particulièrement sevères, on observe neanmoins une deterio-ration de la chemise.
A la suite d'une étude poussee du phenomène, on a alors constate qu'il etait lié a la trop grande finesse des ~3'7~
grains de silicium. A partir de ces resultats, la demande-resse a pris consci~nce qu'il était possible d'améliorer encore cette compatibilité. C'est pourquoi, elle a élaboré
des chemises dont la structure présente des grains de sili-cium soigneusement calibrés dans une fourchette de granulo-métrie relativement étroite, se situant en moyenne au-dessus du maximum ayant conduit a un mauvais comportement et en-/
- 2a -..f ~;~3~
dessous de celle trop grossière des produits coulés.
Selon la présente invention, il est prévu une chemise de moteur à combustion interne obtenue par métallur-gie de poudre à partir de grains d'alliages d'aluminium-silicium et de silicium, caractérisée en ce que la structureprésente une matrice d'aluminium-silicium eutectique c'est-à-dire essentiellement exempte de grains de silicium primaire dans laquelle ont été distribues des grains de silicium ayant tous une dimension comprise entre 20 et 50Jum.
L'alliage peut éventuellement contenir d'autres éléments d'addition qui contribuent à améliorer ses carac-téristiques mécaniques ou certaines propriétés en relation avec le comportement au frottement ou à l'usure.
Donc comme décrit plus haut, dans cette matrice, sont distribués des grains de silicium calibrés, c'est-à-dire répondant à une courbe de granulométrie la plus resserrée possible et dont les dimensions sont de toute façon comprises entre 20 et 50Jum. Sont ainsi exclues toutes les particules fines de silicium ainsi que les grains de trop grande taille qui contribuent à diminuer la compati-bilité recherchéeO
De plus, pour obtenir un compromis favorable entre les qualités apportées d'une part par la matrice, d'autre part par les grains de silicium, on a pu constater qu'une proportion en poids de 5 à 15% de grains de silicium par rapport à la masse de la chemise convenait très bien.
Ces grains de silicium ont une pureté supérieure à 99,5~ et de préférence une teneur en calcium inférieure à 300 ppm. Ils peuvent éventuellement être traités pour en éliminer le fer. Leur faciès est différent en fonction du mode d'obtention. Ainsi, on peut avoir non seulement des grains classiques préparés par broyage et tamisage, mais également des grains fabriqués par pulvérisation de silicium liquide qui présentent un contour plus arrondi.
En ce qui concerne la matrice en alliage d'alumi-
- 3 -.
~;~3~ 3 nium-silicium, on ~ai-t appel cle préférence a des alliages eutectiques du type A-S12U4G, c'es-t-a-dire renferman-t des éléments tels que le cuivre et le magnésium ayant pour effet d'améliorer la -tenue mécanique En outre, on favorise les proprietés de fro-ttement des chemises par la présence d'adjuvan-ts comme du graphite ou de tout autre corps jouant un role équivalent. De préfé-rence, on utilise un graphite artificiel de type granulaire, forme s'intégrant bien physiquement aux autres composants de la chemise. La proportion la plus convenable se situe entre 3 e-t lO % en poids de la masse au sein de laquelle il est dispersé.
La demanderesse a aussi constaté qu'on pouvait encore améliorer davantage les performances des ensembles chemise-piston du point de vue compa-tibilité et remédier notamrnent a l'apparition de certains phénomenes de collage ponctuel qui apparaissent lorsque la chemise travaille au-dela des températures limites généralement admises, en ajou-tant dans la chemise une dispersion d'au moins un composé
intermétallique, distincte de celle de tels composés suscep-tibles d!e~ister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure a 700C.
Ainsi,on peut également prévoir dans la chemise en plus des grains de silicium calibrés, une dispersion d'au moins un composé intermétallique.
Il y a lieu de souligner que cette dispersion est différente du point de vue structure et/ou composition de celle qui pourrait etre présente dans l'alliage de base.
En effet, il est possible que cet alliage contienne certains élémentsrsusceptibles de ~ormer entre eux des composés inter-métalliques au cours de son élaboration par mé-tallurgie des poudres. Mais ces composés appartiennent a la structure - meme de l'alliage de base et n'ont donc rien a voir avec celui-(ou ceux) concerné(s) par l'invention. Ces composés ~3~
intermetalliques consti-tuant cette dispersion sont de preference choisis parmi ceux qui ont une -température de fusion`superieure à 700C.
On a en effet trouve que la présence de tels com-poses dans la structure d'une chemise a matrice d'aluminium-silicium eutectique avait pour propriété de réduire fortement sinon de supprimer la tendance de la chemise a se souder localement au piston lorsque certaineslimites de températures sont depassees.
De plus, les essais realises montrent que ces com-poses intermetalliques contribuent a ameliorer simul-tanemen-t le role joue par les grains de silicium en creant des points durs dans la chemise et en renEorçant ainsi sa resis-tance a l'usure et celui du graphite en exacerbant sa fonction d'agent lubrifiant comme en temoignent les mesures de coef-ficient de frottement.
Le compose intermetallique Ni3Sn dans lequel trois atomes de nickel sont combines a un atome d'etain pour former ces cristaux du type hexagonal, s'est avere particulièrement performant à la fois dans ses fonctions d'agent de non-collage et dans celles de produit lubrifiant et resistant à l'usure.
De tels composes doivent être repartis regulière-ment dans la masse de la chemise sous forme de grains.
Cependant, pour développer pleinement leurs effets, ces grains sont de preference calibres, c'est-a-dire qu'ils repondent a une courbe de granulometrie la plus resserree possible et dont les dimensions sont de toute façon compri-ses entre 5 et 50 ~m. On exclut ainsi d'une part, les grains trop fins qui en raison de leur surface specifique elevee, conduisen-t au grippage des outillages de fabrication des chemises, d'autre part, les grains trop gros qui provo-quent i'augmentation du coefficient de frottement.
Pour obtenir un compromis favorable entre les .. _.. ,.,.. _... ........... ... .
avantages apportés par la matrlce en alliage d'aluminium-silicium eutectique, les grains de silicium, le lubrifiant et les grains de composé intermétallique, on a constaté
qu'une proportion de ces derniers de S à 15 % de 1~ masse de la chemise convenait très bien.
Les grains de composé intermétallique peuvent présenter un faciès différent en fonction de leur mode d'ob-tention. C'est ainsi qu'on peut avoir non seulemen-t des grains préparés par broyage mais également des grains ~abri-qués par pulvérisation d~ composé à l'état liquide qui pré-sentent de ce fait un contour plus arrondi. Quajnt à 11alli-age de base constituant la matrice du matériau de 1'invention, outre l'alliage du type A-S12 U4G, on peut egalement utiliser un alliage du type A~S12 Zs GU-L'invention concerne également un procédé d'obten-tion de telles chemises. Ce-procédé est caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium-silicium eutectique est divisé à
partir de l'état liquide en une poudre de dimensions com-prises entre 60 et 400 ~m, puis mélangé a des grains de siIi-cium de granulométrie comprise entre 20 et 50 ~m et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 ~ en poids de la masse de la chemise.
On peut ajouter au mélange éventuellement 3 à 10 ~
en poids de graphite ou tout autre élément susceptible d'amé-liorer la qualité de la chemise tel que le carbure de sili-cium pour augmenter sa dureté ou l'étain pour la rendre plus apte au frottement.
Dans le cas de chemises destinées à travailler 30- au-delà des limites de température généralement admise, on incorpore un composé intermétallique sous forme de grains suivant les pourcentages en poids compris entre 5 et 15 %
et de dimensions comprises entre S et 50 ~m. Après homo-généisation convenable, un tel mélange peut alors être traité
; 3 ;' ~2~
de deux façons differentes, soi-t par frittage, soi-t par filage.
Dans le cas du frit-tage, le melange de poudres peut être mis en forme par compression à froid dans une presse verticale ou isostatique, puis fri-ttée sous atmos-phere contrôlée. La chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables.
Dans le cas du filage, le mélange peut être com-prime a froid sous forme de billette ou charge directement dans le pot d'une presse puis, filé sous forme de tube apres un eventuel préchauffage a l'abri de l'atmosphere.
Le matériel de filage u-tilisé est bien connu de l'homme de l'art. Il peut s'agir, soit d'un outillage a pont, soit d'un ensemble Eiliere plate-aiyuille flottante.
Le tube ainsi obtenu a la sortie de la presse est dressé, tronçonné a la longueur des chemises et ces dernieres sont ensuite usinées.
Il est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sortant de la filiere puis de procéder a un traitement thermique classique de revenu, de fason a amélio-rer les propriétes mécaniques de la chemise fabriquée.
Le mélange peut aussi être comprime sous forme de pions que l'on soumet a un filage inverse de maniere a former des godets dont on tronçonne ensuite le fond et le bord oppose pour recueillir des chemises qui sont ensuite usinées.
Il est egalement possible d'effectuer une trempe directe des godets après filage.
Un mode de realisation preferen-tiel de l'invention est illustre de façon non limitative au moyen de trois figures jointes a la présente demande et qui représentent des dessins de micrographies tirees sous un grossissement de 200, de chemises de moteurs fabriquees suivant des tech-niques differentes.
La figure 1 correspond a une chemise obtenue par ,, , , . , ........ , . .. ,. .. , .. . . . .... ~ ..
.- ' ,' ' .
~2~ 9 coulée d'un alliage d'aluminium-silicium hypereutectique, la figure 2 à une chemise obtenue par filacJe de poudre d'alliage d'aluminium-silicium hypereu-tectique, la figure 3 à une chemise selon l'invention obtenue par filage d'un mélange de poudre d'alliage d'aluminium-silicium eutectique et de poudre de silicium calibrée.
Sur la figure 1, l'alliage d'aluminium-silicium est un A-S17U4G suivant les normes de l'Aluminium ~ssocia-tion qui contient donc 17 % de silicium et de ce fait est dit h~vpereutectique en silicium. On distingue des cristaux de silicium primaire ll) qui sont donc apparus au début de la solidification de l'alliage et qui sont dispersés dans une matrice ou apparait sous forme d'aiguille(s) du silicium eutectique. On remarque que ces cristaux ont une taille relativement importante et une forme angulaire ayant pour propriete une tendance fâcheuse a rayer la surface des pis-tons au regard desquels travaillent les chemises.
Sur la figure 2, l'alliage d'aluminium-silicium est également un A-S17U4G mais résultant du filage de poudre obtenue par atomisation. Du fait de la grande vitesse de refroidissement utilisee pour former cette poudre, les grains de silicium primaire (3) ont une taille relativement petite comparable à celle du silicium eutectique, et en tout cas inferieure à celle resultant de la coulee classique.
On distingue egalement sur cette figure des particules de graphite 4 qui s'allongent dans le sens du filage et repre-sentent environ en poids 3 % de la masse de la chemise.
La trop grande finesse des grains de silicium, des chemises ainsi constituees est la cause de leur dete-rioratlon lors d'essais dans des conditions particulièrementsevères.
Sur la figure 3, l'alliage d'aluminium-silicium est un A-S12U~G qui contient 12 ~ de silicium et de ce fait est dit eutectique en silicium. Il résulte également du ::
~23~ .s~
filage de poudre obtenue par atomlsation, mais on a ajoute suivant l'inven-tion avan-t filage, environ 5 % en poids de poudre de silicium dont les yrains 5 ont un facies de parti-cules resultan-t d'un hroyaye et une dimension comprise entre 20 et 50 ~m. Ces grains sont dispersés dans une matrice eutectique au sein de laquelle on distingue des particules de silicium 7 qui ont coalesce et des particules de graphite 6 associés à raison de 3 % au poids. On notera la texture tout à fait oriyinale des chemises selon l'invention, tex-ture qui contribue à améliorer no-tablement la compatibili-te avec les pistons des chemises ainsi realisees.
Les chemises faisant objet de l'invention trouvent leur applica-tion notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie où l'on cherche a disposer d'ensémbles, chemise-piston de bonne compatibilite à partir d'alliages d'aluminium.
. ' ' ';
~;~3~ 3 nium-silicium, on ~ai-t appel cle préférence a des alliages eutectiques du type A-S12U4G, c'es-t-a-dire renferman-t des éléments tels que le cuivre et le magnésium ayant pour effet d'améliorer la -tenue mécanique En outre, on favorise les proprietés de fro-ttement des chemises par la présence d'adjuvan-ts comme du graphite ou de tout autre corps jouant un role équivalent. De préfé-rence, on utilise un graphite artificiel de type granulaire, forme s'intégrant bien physiquement aux autres composants de la chemise. La proportion la plus convenable se situe entre 3 e-t lO % en poids de la masse au sein de laquelle il est dispersé.
La demanderesse a aussi constaté qu'on pouvait encore améliorer davantage les performances des ensembles chemise-piston du point de vue compa-tibilité et remédier notamrnent a l'apparition de certains phénomenes de collage ponctuel qui apparaissent lorsque la chemise travaille au-dela des températures limites généralement admises, en ajou-tant dans la chemise une dispersion d'au moins un composé
intermétallique, distincte de celle de tels composés suscep-tibles d!e~ister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure a 700C.
Ainsi,on peut également prévoir dans la chemise en plus des grains de silicium calibrés, une dispersion d'au moins un composé intermétallique.
Il y a lieu de souligner que cette dispersion est différente du point de vue structure et/ou composition de celle qui pourrait etre présente dans l'alliage de base.
En effet, il est possible que cet alliage contienne certains élémentsrsusceptibles de ~ormer entre eux des composés inter-métalliques au cours de son élaboration par mé-tallurgie des poudres. Mais ces composés appartiennent a la structure - meme de l'alliage de base et n'ont donc rien a voir avec celui-(ou ceux) concerné(s) par l'invention. Ces composés ~3~
intermetalliques consti-tuant cette dispersion sont de preference choisis parmi ceux qui ont une -température de fusion`superieure à 700C.
On a en effet trouve que la présence de tels com-poses dans la structure d'une chemise a matrice d'aluminium-silicium eutectique avait pour propriété de réduire fortement sinon de supprimer la tendance de la chemise a se souder localement au piston lorsque certaineslimites de températures sont depassees.
De plus, les essais realises montrent que ces com-poses intermetalliques contribuent a ameliorer simul-tanemen-t le role joue par les grains de silicium en creant des points durs dans la chemise et en renEorçant ainsi sa resis-tance a l'usure et celui du graphite en exacerbant sa fonction d'agent lubrifiant comme en temoignent les mesures de coef-ficient de frottement.
Le compose intermetallique Ni3Sn dans lequel trois atomes de nickel sont combines a un atome d'etain pour former ces cristaux du type hexagonal, s'est avere particulièrement performant à la fois dans ses fonctions d'agent de non-collage et dans celles de produit lubrifiant et resistant à l'usure.
De tels composes doivent être repartis regulière-ment dans la masse de la chemise sous forme de grains.
Cependant, pour développer pleinement leurs effets, ces grains sont de preference calibres, c'est-a-dire qu'ils repondent a une courbe de granulometrie la plus resserree possible et dont les dimensions sont de toute façon compri-ses entre 5 et 50 ~m. On exclut ainsi d'une part, les grains trop fins qui en raison de leur surface specifique elevee, conduisen-t au grippage des outillages de fabrication des chemises, d'autre part, les grains trop gros qui provo-quent i'augmentation du coefficient de frottement.
Pour obtenir un compromis favorable entre les .. _.. ,.,.. _... ........... ... .
avantages apportés par la matrlce en alliage d'aluminium-silicium eutectique, les grains de silicium, le lubrifiant et les grains de composé intermétallique, on a constaté
qu'une proportion de ces derniers de S à 15 % de 1~ masse de la chemise convenait très bien.
Les grains de composé intermétallique peuvent présenter un faciès différent en fonction de leur mode d'ob-tention. C'est ainsi qu'on peut avoir non seulemen-t des grains préparés par broyage mais également des grains ~abri-qués par pulvérisation d~ composé à l'état liquide qui pré-sentent de ce fait un contour plus arrondi. Quajnt à 11alli-age de base constituant la matrice du matériau de 1'invention, outre l'alliage du type A-S12 U4G, on peut egalement utiliser un alliage du type A~S12 Zs GU-L'invention concerne également un procédé d'obten-tion de telles chemises. Ce-procédé est caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium-silicium eutectique est divisé à
partir de l'état liquide en une poudre de dimensions com-prises entre 60 et 400 ~m, puis mélangé a des grains de siIi-cium de granulométrie comprise entre 20 et 50 ~m et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 ~ en poids de la masse de la chemise.
On peut ajouter au mélange éventuellement 3 à 10 ~
en poids de graphite ou tout autre élément susceptible d'amé-liorer la qualité de la chemise tel que le carbure de sili-cium pour augmenter sa dureté ou l'étain pour la rendre plus apte au frottement.
Dans le cas de chemises destinées à travailler 30- au-delà des limites de température généralement admise, on incorpore un composé intermétallique sous forme de grains suivant les pourcentages en poids compris entre 5 et 15 %
et de dimensions comprises entre S et 50 ~m. Après homo-généisation convenable, un tel mélange peut alors être traité
; 3 ;' ~2~
de deux façons differentes, soi-t par frittage, soi-t par filage.
Dans le cas du frit-tage, le melange de poudres peut être mis en forme par compression à froid dans une presse verticale ou isostatique, puis fri-ttée sous atmos-phere contrôlée. La chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables.
Dans le cas du filage, le mélange peut être com-prime a froid sous forme de billette ou charge directement dans le pot d'une presse puis, filé sous forme de tube apres un eventuel préchauffage a l'abri de l'atmosphere.
Le matériel de filage u-tilisé est bien connu de l'homme de l'art. Il peut s'agir, soit d'un outillage a pont, soit d'un ensemble Eiliere plate-aiyuille flottante.
Le tube ainsi obtenu a la sortie de la presse est dressé, tronçonné a la longueur des chemises et ces dernieres sont ensuite usinées.
Il est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sortant de la filiere puis de procéder a un traitement thermique classique de revenu, de fason a amélio-rer les propriétes mécaniques de la chemise fabriquée.
Le mélange peut aussi être comprime sous forme de pions que l'on soumet a un filage inverse de maniere a former des godets dont on tronçonne ensuite le fond et le bord oppose pour recueillir des chemises qui sont ensuite usinées.
Il est egalement possible d'effectuer une trempe directe des godets après filage.
Un mode de realisation preferen-tiel de l'invention est illustre de façon non limitative au moyen de trois figures jointes a la présente demande et qui représentent des dessins de micrographies tirees sous un grossissement de 200, de chemises de moteurs fabriquees suivant des tech-niques differentes.
La figure 1 correspond a une chemise obtenue par ,, , , . , ........ , . .. ,. .. , .. . . . .... ~ ..
.- ' ,' ' .
~2~ 9 coulée d'un alliage d'aluminium-silicium hypereutectique, la figure 2 à une chemise obtenue par filacJe de poudre d'alliage d'aluminium-silicium hypereu-tectique, la figure 3 à une chemise selon l'invention obtenue par filage d'un mélange de poudre d'alliage d'aluminium-silicium eutectique et de poudre de silicium calibrée.
Sur la figure 1, l'alliage d'aluminium-silicium est un A-S17U4G suivant les normes de l'Aluminium ~ssocia-tion qui contient donc 17 % de silicium et de ce fait est dit h~vpereutectique en silicium. On distingue des cristaux de silicium primaire ll) qui sont donc apparus au début de la solidification de l'alliage et qui sont dispersés dans une matrice ou apparait sous forme d'aiguille(s) du silicium eutectique. On remarque que ces cristaux ont une taille relativement importante et une forme angulaire ayant pour propriete une tendance fâcheuse a rayer la surface des pis-tons au regard desquels travaillent les chemises.
Sur la figure 2, l'alliage d'aluminium-silicium est également un A-S17U4G mais résultant du filage de poudre obtenue par atomisation. Du fait de la grande vitesse de refroidissement utilisee pour former cette poudre, les grains de silicium primaire (3) ont une taille relativement petite comparable à celle du silicium eutectique, et en tout cas inferieure à celle resultant de la coulee classique.
On distingue egalement sur cette figure des particules de graphite 4 qui s'allongent dans le sens du filage et repre-sentent environ en poids 3 % de la masse de la chemise.
La trop grande finesse des grains de silicium, des chemises ainsi constituees est la cause de leur dete-rioratlon lors d'essais dans des conditions particulièrementsevères.
Sur la figure 3, l'alliage d'aluminium-silicium est un A-S12U~G qui contient 12 ~ de silicium et de ce fait est dit eutectique en silicium. Il résulte également du ::
~23~ .s~
filage de poudre obtenue par atomlsation, mais on a ajoute suivant l'inven-tion avan-t filage, environ 5 % en poids de poudre de silicium dont les yrains 5 ont un facies de parti-cules resultan-t d'un hroyaye et une dimension comprise entre 20 et 50 ~m. Ces grains sont dispersés dans une matrice eutectique au sein de laquelle on distingue des particules de silicium 7 qui ont coalesce et des particules de graphite 6 associés à raison de 3 % au poids. On notera la texture tout à fait oriyinale des chemises selon l'invention, tex-ture qui contribue à améliorer no-tablement la compatibili-te avec les pistons des chemises ainsi realisees.
Les chemises faisant objet de l'invention trouvent leur applica-tion notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie où l'on cherche a disposer d'ensémbles, chemise-piston de bonne compatibilite à partir d'alliages d'aluminium.
. ' ' ';
Claims (25)
1. Chemise de moteur à combustion interne obtenue par métallurgie de poudre à partir de grains d'alliages d'aluminium-silicium et de silicium, caractérisée en ce que la structure présente une matrice d'aluminium-silicium eutectique c'est-à-dire essentiellement exempte de grains de silicium primaire dans laquelle ont été distribués des grains de silicium ayant tous une dimension comprise entre 20 et 50 µm.
2. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits grains d'alliages contiennent des éléments d'addition.
3. Chemise selon la revendication 1 ou 2, carac-térisée en ce que les grains de silicium représentent 5 à
15% de la masse de la chemise.
15% de la masse de la chemise.
4. Chemise selon la revendication 1 ou 2, carac-térisée en ce que les grains de silicium ont le faciès de particules résultant d'un broyage.
5. Chemise selon la revendication 1 ou 2, carac-térisée en ce que les grains de silicium ont le faciès résultant de la pulvérisation de silicium liquide.
6. Chemise selon la revendication 1 ou 2, carac-térisée en ce que l'alliage aluminium-silicium eutectique est un A-S12U4G.
7. Chemise selon la revendication 2, caractérisée en ce que parmi lesdits éléments d'addition figure le graphite.
8. Chemise selon la revendication 7, caractérisée en ce que la teneur en graphite de la chemise est comprise entre 3 et 10% en poids.
9. Chemise selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle contient une dispersion d'au moins un composé
intermétallique distincte de celle de tels composés suscep-tibles d'exister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure à 700° C.
intermétallique distincte de celle de tels composés suscep-tibles d'exister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure à 700° C.
10. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composé intermétallique est le Ni3Sn.
11. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composé intermétallique se présente sous forme de grains calibrés de dimensions comprises entre 5 et 50 µm.
12. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composé intermétalligue représente 5 à 15% du poids de la masse de la chemise.
13. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composé intermétallique comprend des grains qui ont un faciès de particules résultant d'un broyage.
14. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composé intermétallique comprend des grains qui ont le faciès de particules résultant de la solidification d'un liquide pulvérisé.
15. Chemise selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alliage d'aluminium-silicium eutectique appartient au groupe constitué par l'A-S12U4G et l'A-S12 Z5GU.
16. Procédé de fabrication de chemises de moteur à combustion interne obtenue par métallurgie de poudre à
partir de grains d'alliages d'aluminium-silicium et de silicium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium-silicium eutectique est divisé à partir de l'état liquide en une poudre de dimensions comprises entre 60 et 400 µm, puis mélangé à des grains de silicium de granulométrie comprise entre 20 et 50 µm et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15% en poids de la masse de la chemise.
partir de grains d'alliages d'aluminium-silicium et de silicium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium-silicium eutectique est divisé à partir de l'état liquide en une poudre de dimensions comprises entre 60 et 400 µm, puis mélangé à des grains de silicium de granulométrie comprise entre 20 et 50 µm et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15% en poids de la masse de la chemise.
17. Procédé de fabrication de chemises selon la revendication 16, caractérisé en ce que on ajoute au mélange 3 à 10% de graphite en poudre.
18. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce que on ajoute au mélange du carbure de silicium.
19. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce que on ajoute au mélange de l'étain.
20. Procédé de fabrication de chemises selon la revendication 16, caractérisé en ce que on incorpore un com-posé intermétallique sous forme de grains suivant des pour-centages en poids compris entre 5 et 15% et des dimensions comprises entre 5 et 20 µm.
21. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 20, caractérisé en ce que le mélange de poudres et de grains est mis en forme par compression à froid, puis fritté sous atmos-phère contrôlée,
22. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 20, caractérisé en ce que le mélange de poudres et de grains est filé dans une presse appartenant au groupe constitué
par les presses à aiguille flottante et à outillage à pont et le produit obtenu tronçonné à la longueur voulue après dressage.
par les presses à aiguille flottante et à outillage à pont et le produit obtenu tronçonné à la longueur voulue après dressage.
23. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 20, caractérisé en ce que le produit filé est trempé à la sortie d'une presse puis soumis à un traitement thermique de revenu.
24. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 20, caractérisé en ce que le mélange est comprimé sous forme de pions puis soumis à un filage inverse, de manière à former un godet donc on tronçonne le fond et le bord opposé.
25. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 20, caractérisé en ce qu'on comprime le mélange sous forme de pions puis on le soumet à un filage inverse, de manière à
former un godet donc on tronçonne le fond et le bord opposé, et en ce que l'on effectue une trempe directe dudit godet après filage.
former un godet donc on tronçonne le fond et le bord opposé, et en ce que l'on effectue une trempe directe dudit godet après filage.
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