CH656184A5 - Chemise de moteur a base d'alliage d'aluminium et d'un compose intermetallique et procede d'obtention de cette chemise. - Google Patents

Chemise de moteur a base d'alliage d'aluminium et d'un compose intermetallique et procede d'obtention de cette chemise. Download PDF

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CH656184A5
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Description

La présente invention est relative à une chemise de moteur à explosion ou à combustion interne flans laquelle ori trouve une matrice à base d'alliage d'aluminium à hautç résistSiKe mécanique, obtenue par métallurgie des poudres.Ëfte concerné également un procédé d'obtention de cette chemise. • • - •
Les chemises de moteurs à base d'aluminium ne sont pas nouvelles, mais leur utilisation a toujours posé des problèmes de compatibilité de leur surface de travail avec les éléments de moteurs tels que les pistons qui sont en contact avec elles. On a cherché à pallier les 5 difficultés rencontrées de différentes façons, telles que prévoir un chemisage en acier, revêtir la surface de l'alésage du cylindre de métaux plus durs comme le fer ou le chrome, sans toutefois pouvoir les surmonter complètement.
Puis, on s'est tourné vers des alliages ayant une meilleure tenue io mécanique tels que les alliages du type aluminium-silicium hypereu-tectiques (désignés dans la suite de la description par le terme A-S hypereutectiques), mais on s'est alors aperçu que 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 an-15 guleuse une tendance fâcheuse à rayer la surface des pistons et on a été ainsi amené à protéger la surface de ces derniers par un revêtement.
C'est alors que, voulant néanmoins bénéficier de certains avantages apportés par les A-S hypereutectiques, on a cherché à changer la 20 structure de ces alliages, notamment au niveau des grains de silicium pour essayer de leur conférer la compatibilité nécessaire sans avoir recours à des traitements de surface ultérieurs des pistons. Parmi les tentatives faites, il faut citer:
— d'une part, toutes celles consistant à modifier la structure de 25 coulée telles que celles décrites dans le brevet français 1 441 860 où
on procède à une attaque acide de la matrice d'aluminium de manière à mettre en relief les grains de silicium, puis on réalise un polissage de ces grains,
— d'autre part, celles visant à obtenir une nouvelle structure de 30 coulée. C'est le cas du brevet français 2235 534 dans lequel la chemise est moulée dans des conditions de refroidissement telles qu'elle ne présente aucune phase de silicium primaire, mais au contraire, des particules fibreuses ou sphéroïdisées de dimensions inférieures à 10 |im.
35 Plus récemment, la titulaire, comme décrit dans son brevet français 2 343 895, s'est aussi tournée vers une nouvelle structure d*A-S hypereutectiques mais en substituant au procédé de coulée celui du filage de poudres obtenues par atomisation. Une telle technique présente, en effet, l'avantage de mettre en œuvre des poudres formées 40 avec une grande vitesse de refroidissement et dans lesquelles les grains de silicium primaire ont une taille relativement petite et, en tout cas, inférieure à celle résultant de la coulée classique. Cette taille n'est pas modifiée par le filage et on obtient ainsi une nouvelle structure présentant des particules de silicium fines et bien réparties, qui 45 améliorent sensiblement la compatibilité de la chemise avec le piston.
Toutefois, au cours des essais dans des conditions particulièrement sévères de température, on observe néanmoins une détérioration de la chemise ainsi réalisée.
50 A la suite d'une étude approfondie du phénomène, la titulaire a constaté que cette mauvaise tenue était due à des collages ponctuels entre chemise et piston.
Poussant plus loin ses recherches, elle a repris en considération les critères d'une bonne compatibilité, à savoir:
ss — une dureté convenable du matériau de la chemise pour avoir une résistance suffisante à l'usure tout en évitant l'apparition de rayures,
— un coefficient de frottement relativement faible pour faciliter les mouvements relatifs des pièces l'une par rapport à l'autre,
60 — une aptitude au non-collage des matériaux entre eux pour empêcher toute détérioration de surface.
En examinant les différentes solutions de l'art antérieur, elle en a déduit que si la fonction dureté était plus ou moins bien accomplie par les particules de silicium primaire, si la fonction frottement avait 65 été réalisée par l'adjonction de certains lubrifiants tels que le graphite par exemple, par contre, la fonction de non-collage n'avait pas trouvé de solution intéressante parmi les moyens utilisés jusqu'à présent.
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Le but de l'invention est donc de fournir des chemises de moteur permettant de résoudre le problème de trouver un agent de non-collage adéquat.
A cet effet, la chemise selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1.
Ainsi, cette chemise est constituée en un matériau composite,
dans lequel on trouve dispersés, dans une matrice à base d'alliage d'aluminium à haute résistance mécanique, des grains d'un composé intermétallique, c'est-à-dire d'un composé chimique de deux ou plusieurs métaux, ayant son propre système cristallin.
Il faut souligner que cette dispersion est différente du point de vue structure et/ou composition de celle qui pourrait être présente dans la matrice en alliage d'aluminium. En effet, il est possible que cette matrice contienne certains éléments susceptibles de former entre eux des composés intermétalliques au cours de son élaboration par métallurgie des poudres, mais ces composés appartiennent à la structure même de l'alliage et n'ont donc rien à voir avec les composés de l'invention.
La titulaire a, en effet, trouvé que la présence d'un tel composé dans la structure d'une chemise à matrice en alliage d'aluminium avait pour propriété de réduire fortement, sinon de supprimer la tendance de la chemise à se souder localement au piston lorsque certaines limites de température sont dépassées.
Outre ses propriétés non collantes, il s'est avéré au cours des essais que ces composés permettaient de créer, à la manière des grains de silicium, des points durs dans la chemise et de renforcer ainsi sa tenue à l'usure, de sorte qu'on pouvait se passer de la présence de silicium primaire.
De plus, on a remarqué que ces composés présentent également un bon coefficient de frottement; ils peuvent jouer ainsi le rôle de lubrifiant soit par eux-mêmes, soit en association avec le graphite, auquel cas ils exacerbent ce type de propriété.
Parmi les composés intermétalliques étudiés, le Ni3Sn, dans lequel trois atomes de nickel sont combinés à un atome d'étain pour former des cristaux du type hexagonal, se montre particulièrement performant à la fois dans ses fonctions d'agent de «non-collage», de lubrifiant et de produit résistant à l'usure.
De tels composés sont répartis régulièrement dans la masse de la chemise sous forme de grains. Cependant, pour développer pleinement leurs effets, ces grains sont de préférence calibrés, c'est-à-dire qu'ils répondent à une courbe de granulométrie la plus resserrée possible, et dont les dimensions sont de toute façon comprises entre 5 et 50 um. On exclut ainsi, d'une part, les grains trop fins qui conduisent au grippage des outillages de fabrication des chemises, d'autre part, les grains trop gros qui provoquent l'augmentation du coefficient de frottement.
Pour obtenir un compromis favorable entre les avantages apportés par chacun des composants de la chemise, on a constaté que la proportion de grains du composé intermétallique devait être comprise entre 5 et 15% de la masse de la chemise.
Ces grains peuvent présenter un faciès différent en fonction de leur mode d'obtention. C'est ainsi qu'on peut avoir non seulement des grains préparés par broyage, mais également des grains fabriqués par pulvérisation du composé à l'état liquide, qui présentent, de ce fait, un contour plus arrondi.
En ce qui concerne la matrice en alliage d'aluminium on utilise un alliage à haute résistance mécanique, de préférence soit du type s A-S ! 2 contenant des éléments comme le cuivre et le magnésium tels que les A-S12UG où le cuivre peut varier de 1 à 5% en poids, soit de la série des 7000 tels que les A-ZGU auxquels on a ajouté 1 à 12% de silicium en poids. On peut citer, par exemple, l'A-S12U4G ou l'A-SI2Z5GU.
io Dans le cas où on veut renforcer les propriétés lubrifiantes de la chemise, sa structure peut présenter des matériaux adéquats tels que le graphite notamment, dont la teneur en poids est alors comprise entre 3 et 10%.
L'invention concerne également un procédé d'obtention de cette 15 chemise et des variantes de ce procédé.
Ce procédé et ses variantes possèdent une phase commune consistant à diviser la matrice en alliage d'aluminium de haute résistance à partir de l'état liquide en une poudre. Ceci peut être obtenu par tout traitement connu approprié comme, par exemple, la pulvé-20 risation centrifuge, l'atomisation, etc. Cette poudre est alors tamisée pour en éliminer les particules de dimensions non comprises entre 60 et 400 um, puis mélangée à des grains de composé intermétallique de granulométrie comprise entre 5 et 50 jim et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15% en poids de la masse de la chemise; on y 25 ajoute, éventuellement, 3 à 10% en poids de graphite ou tout autre élément susceptible d'améliorer les propriétés lubrifiantes. Après homogénéisation convenable, un tel mélange peut alors être traité de .deux façons différentes, soit par frittage, soit par filage.
Dans le cas de frittage, le mélange des poudres est mis en forme 30 par compression à froid dans une presse verticale ou isostatique,
puis frittée sous atmosphère contrôlée. La chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables.
Dans le cas de filage, le mélange est comprimé à froid sous forme de billettes ou chargé directement dans le pot d'une presse, puis filé 35 sous forme de tube après un éventuel préchauffage à l'abri de l'atmosphère.
Le matériel de filage utilisé est bien connu de l'homme de l'art. Il peut s'agir, soit d'un outillage à pont, soit d'un ensemble filière plate - aiguille flottante. Le tube ainsi obtenu à la sortie de la presse est 40 dressé, tronçonné à la longueur des chemises et ces dernières sont ensuite usinées.
Il est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sortant de la filière, puis de procéder à un traitement thermique de revenu, de façon à améliorer les propriétés mécaniques de la chemise 45 fabriquée.
Le mélange peut aussi être comprimé sous forme de pions que l'on soumet à un filage inverse de manière à former des godets dont on tronçonne ensuite le fond et le bord opposé pour recueillir des chemises qui sont ensuite usinées. Il est également possible d'effec-50 tuer une trempe directe des godets après filage.
La chemise faisant l'objet de l'invention trouve son application notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie où l'on cherche à disposer d'ensembles chemise-piston de bonne compatibilité à partir d'alliage d'aluminium.
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Claims (16)

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1. Chemise de moteur, comprenant une matrice à base d'alliage d'aluminium à haute résistance mécanique obtenue par métallurgie des poudres, caractérisée en ce qu'elle contient une dispersion de grains d'au moins un composé intermétallique constituant une phase distincte de la matrice et dont la température de fusion est supérieure à 700 C.
2. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composé intermétallique est le Ni3Sn.
2
REVENDICATIONS
3. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composé intermétallique se présente sous forme de grains calibrés de dimensions comprises entre 5 et 50 jim.
4. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de composé intermétallique représentent 5 à 15% de la masse de la chemise.
5. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de composé intermétallique ont une forme anguleuse.
6. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de composé intermétallique ont une forme arrondie.
7. Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, outre la matrice et les grains de composé intermétallique dispersés dans la matrice, au moins un autre élément.
8. Chemise selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit élément supplémentaire est le graphite.
9. Chemise selon la revendication 8, caractérisée en ce que la teneur en graphite est comprise entre 3 et 10% en poids.
10. Procédé de fabrication d'une chemise selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium à haute résistance mécanique est divisé, à partir de l'état liquide, en une poudre de dimensions comprises entre 60 et 400 um, puis mélangé à des grains de composé intermétallique de granulométrie comprise entre 5 et 50 Jim et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15% en poids de la masse de la chemise.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on ajoute, au mélange de poudre d'alliage d'aluminium et de grains de composé intermétallique, 3 à 10%, en poids, de graphite en poudre.
12. Procédé, selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que le mélange de poudre d'alliage d'aluminium et de grains de composé intermétallique est mis en forme par compression à froid, puis fritte sous atmosphère contrôlée.
13. Procédé, selon la revendication 10 ou la revendicaiton 11, caractérisé en ce que le mélange de poudre d'alliage d'aluminium et de grains de composé intermétallique est filé dans une presse appartenant au groupe constitué par les presses à aiguille flottante et à outillage à pont, et le produit obtenu est tronçonné à la longueur voulue après dressage.
14. Procédé, selon la revendication 13, caractérisé en ce que le produit filé est trempé à la sortie de la presse, puis soumis à un traitement thermique.
15. Procédé, selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mélange de poudre d'alliage d'aluminium et de grains de composé intermétallique est comprimé sous forme de pièces cylindriques ayant la configuration de pièces de jeu de dame puis soumis à un filage inverse, de manière à former un godet dont on tronçonne le fond et le bord opposé.
16. Procédé, selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'on effectue une trempe directe des godets après filage.
CH6485/83A 1982-12-09 1983-12-05 Chemise de moteur a base d'alliage d'aluminium et d'un compose intermetallique et procede d'obtention de cette chemise. CH656184A5 (fr)

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