FR2736067A1

FR2736067A1 - Chemise de cylindre en alliage d'aluminium/silicium hypereutectique a incorporer a la coulee dans un bati de machine a piston alternatif et procede de fabrication d'une telle chemise

Info

Publication number: FR2736067A1
Application number: FR9607925A
Authority: FR
Inventors: Franz Ruckert; Peter Stocker; Roland Ruger
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1997-01-03
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: GB9613220D0; FR2736067B1; GB2302695B; DE19523484A1; GB2302695A; JP2860537B2; KR100210696B1; ITRM960401A1; CN1055135C; ITRM960401A0; CN1149630A; DE19523484C2; IT1284146B1; US5891273A; JPH0919757A; KR970000394A

Abstract

L'invention concerne plus spécialement le dégagement ou le dégarnissage partiel de particules dures dans la portée d'une chemise après son incorporation dans le bâti d'un moteur ou autre machine lors de la coulée de ce bâti et après son usinage de finissage. Le dégagement de faces (aires de surfaces) en plateau (11) de cristaux primaires de silicium (8) et de phases intermétalliques (9, 10), par rapport à la partie restante de la surface de la matière de base (12) de l'alliage, s'effectue par voie chimique au moyen d'une lessive aqueuse, de soude par exemple. Applicable notamment aux moteurs à combustion interne pour l'industrie automobile.

Description

L'invention part d'une chemise de cylindre en alliage d'aluminium/silicium

hypereutectique, destinée à être incorporée à la coulée dans un moteur ou une autre machine à piston(s) alternatif(s), ainsi qu'un procédé pour fabriquer une telle chemise de cylindre, selon le- quel on produit d'abord la chemise séparément comme une

pièce brute tubulaire et on l'incorpore ensuite à la cou-

lée dans le bâti - supportant la chemise - d'une machine à piston(s) alternatif(s), selon lequel, en outre, à l'état incorporé de la chemise de cylindre dans le bâti lors de la coulée de celui-ci, on soumet la portée de la chemise à un usinage de dégrossissage avec enlèvement de copeaux puis à un usinage de finissage dans le sens d'un alésage ou d'un tournage puis on effectue un rodage en au moins une étape, et selon lequel, après cela, on dégage ou dégarnit les particules dures situées dans la portée et constituant des précipités plus durs que la structure de base de l'alliage, tels que des cristaux de silicium et des phases intermétalliques, de manière que des faces (aires de surface) en plateau des particules dures fassent saillie par rapport à la partie restante de la surface de

la structure de base de l'alliage.

Par le document EP 367 229 Ai, on connaît une

chemise de cylindre fabriquée de poudre de métal à la-

quelle on a mélangé des particules de graphite (en une

proportion de 0,5 à 3 %, le diamètre de grain des parti-

cules étant tout au plus de 10 Mm ou moins, mesuré dans

un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre) et des par-

ticules de substance dure sans arêtes vives (en une pro-

portion de 3 à 5 %, le diamètre de grain de ces parti-

cules étant tout au plus de 30 pm et en moyenne de 10 pm ou moins), en particulier d'oxyde d'aluminium. La poudre de métal est d'abord produite séparément, c'est-à-dire sans que des particules autres que métalliques y soient

mélangées, par pulvérisation à l'air d'un alliage d'alu-

minium/silicium hypereutectique ayant la composition indiquée ci- après, le reste étant de l'aluminium (les indications sont en pour-cent en poids rapportés à la teneur totale en métal de l'alliage, c'est-à- dire sans les particules de substance dure étrangères au bain d'élaboration de l'alliage et sans les fractions de graphite): silicium 16 à 18 %, fer 4 à 6 %, cuivre 2 à 4 %, magnésium 0,5 à 2 %, et

manganèse 0,1 à 0,8 %.

La poudre de métal est mélangée avec des particules non

métalliques et ce mélange pulvérulent est comprimé à en-

viron 2000 bars en un corps qui est de préférence tubu-

laire. L'ébauche ainsi produite selon la métallurgie des

poudres, est introduite dans un tronçon de tube en alumi-

nium doux de forme correspondante et le tube à deux couches, obtenu de cette manière, est transformé dans son ensemble, par frittage et mise en forme, selon un procédé d'extrusion, de préférence à températures élevées, en une

ébauche tubulaire à partir de laquelle peuvent être pro-

duites les chemises de cylindre individuelles. Les parti-

cules de substance dure incluses ont pour but de conférer une bonne tenue à l'usure à la chemise, tandis que les particules de graphite servent de lubrifiant sec. Afin

d'éviter l'oxydation des particules de graphite, l'extru-

sion à chaud doit s'effectuer à l'abri de l'oxygène. Il existe en plus le risque que le graphite réagisse avec le silicium sous des températures de traitement élevées et qu'il se forme du carbure de silicium (SiC) de surface dure, ce qui affecte la propriété de lubrification à sec

des particules de graphite incluses. Du fait que le mé-

lange pulvérulent est toujours plus ou moins parfait, on ne peut jamais exclure complètement que des variations plus ou moins grandes de concentration en particules de substance dure et/ou en particules de graphite se produisent localement à la surface de la pièce. En raison des particules de substance dure incluses, l'outil de compression à chaud s'use relativement vite parce que ces particules, malgré que leurs arêtes soient arrondies, continuent à avoir une action fortement abrasive; de toutes manières, si l'on veut rester dans des limites de

coût acceptables, on peut seulement arrondir partielle-

ment les arêtes des particules obtenues par fractionne-

ment par rupture. L'usinage mécanique consécutif de la surface intérieure ou portée de la chemise de cylindre entraîne également une importante usure des outils et par suite des coûts d'outillage élevés. Les particules de substance dure exposées dans la portée, sont délimitées par des arêtes vives après l'usinage de la surface et

provoquent une usure relativement forte de l'axe de pis-

ton et des segments de piston, de sorte que ceux-ci doivent être fabriqués d'un matériau résistant à l'usure ou être pourvus d'un revêtement ayant une tenue à l'usure adéquate. La chemise de cylindre connue est globalement

relativement onéreuse non seulement en raison des ma-

tières de départ à plusieurs composants séparés, les frais d'outillage élevés, liés au façonnage plastique et à l'usinage avec enlèvement de copeaux, contribuent aussi à faire monter les coûts par pièce. En dehors de cela, la nature de la fabrication de la chemise connue à partir d'un mélange pulvérulent hétérogène, renferme le risque

de défauts d'homogénéité qui peuvent éventuellement af-

fecter l'aptitude fonctionnelle, donc entraîner des re-

buts, mais nécessitent dans tous les cas une surveillance

onéreuse de la qualité. De plus, cette fabrication pré-

suppose, pour le fonctionnement dans un moteur, des constructions de pistons dispendieuses qui renchérissent

l'ensemble de la machine à piston(s) alternatif(s).

Il faut encore mentionner aussi le brevet des E.U.A. 4 938 810, par lequel on connaît également une chemise de cylindre fabriquée selon la métallurgie des poudres. Ce document indique un grand nombre d'exemples

d'alliages et mentionne aussi des caractéristiques mesu-

rées et de fonctionnement des chemises ainsi fabriquées.

Les teneurs en silicium des exemples fournis sont comprises entre 17,2 et 23,6 %, bien que la revendication de ce document recommande à cet égard un domaine plus vaste allant de 10 à 30 %, qui se prolonge jusque dans le domaine hypoeutectique. Au moins l'un des métaux que sont le nickel, le fer ou le manganèse, doit également être contenu dans l'alliage, plus exactement avec une teneur d'au moins 5 % ou (pour le fer) d'au moins 3 %. A titre d'exemple représentatif, on indique ci- après seulement une composition d'alliage, en pour-cent en poids, le

reste étant de l'aluminium. Des teneurs en zinc et manga-

nèse ne sont pas mentionnées, ce qui laisse supposer que l'alliage ne doit pas contenir ces métaux, hormis des traces: silicium: 22,8 %, cuivre: 3,1%, magnésium: 1,3 %, fer: 0,5 % et nickel: 8,0 % La teneur en nickel de cet exemple d'alliage est très élevée. A partir du mélange pulvérulent, on produit une ébauche pour une chemise de cylindre par extrusion à chaud. Il faut encore mentionner enfin le brevet des E.U.A. 4 155 756 qui concerne le même sujet; ce document mentionne notamment, comme un exemple parmi plusieurs autres, la composition indiquée ci-après d'une chemise de cylindre fabriquée selon la métallurgie des poudres, le reste de l'alliage étant de l'aluminium: silicium: 25 %, cuivre: 4,3 %, magnésium: 0,65 % et

fer: 0,8 %.

Le but de l'invention est de perfectionner la chemise de cylindre du type générique indiqué et qui est à la base de l'invention, pour ce qui concerne la tenue à l'usure et la consommation d'huile de lubrification, tout en diminuant le risque d'usure pour le piston; au sujet de la diminution de la consommation d'huile de graissage, c'est moins l'huile elle-même qui est au centre d'intérêt

que ses résidus de combustion - essentiellement des hy-

drocarbures - qui représentent une charge nuisible du gaz

d'échappement émis par le moteur à combustion interne.

Conformément à l'invention, partant de la ma-

chine à piston(s) alternatif(s) du type générique indi-

qué, on obtient ce résultat, pour ce qui concerne la che-

mise de cylindre, par les caractéristiques suivantes: > l'alliage d'aluminium/silicium - exempt de particules de substance dure indépendantes du bain d'élaboration de l'alliage - de la chemise de cylindre possède, dans les deux types d'alliage A et B utilisables en variante, les compositions suivantes, les indications chiffrées désignant la teneur en pour-cent en poids: alliaqe A: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 % magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 % cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3, 9 % fer 0,25 % maximum manganèse, nickel et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, ou alliaqe B: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 %, magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %, cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 %, fer 1,0 à 1,4 %, nickel 1,0 à 0,5 %, manganèse et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, > la chemise de cylindre contient des cristaux primaires de silicium et des phases intermétalliques

ayant les grosseurs de grain suivantes, les indi-

cations chiffrées désignant le diamètre de grain moyen en pm: cristaux primaires de Si: 2 à 15, de préférence 4,0 à ,0 Pm, phase Al2Cu: 0,1 à 5,0, de préférence 0,8 à 1,8 pm, phases Mg2Si: 2,0 à 10,0, de préférence 2,5 à 4,5 nm, > de la surface intérieure ou portée de la chemise de cylindre, portée qui a été soumise à un usinage de

finissage, on a dégagé (davantage mis à nu) des cris-

taux primaires de silicium et des particules de

phases intermétalliques incrustés en surface.

Quant au procédé, on obtient le résultat re-

cherché, conformément à l'invention, par un procédé du type indiqué au début, qui est caractérisé par l'ensemble des caractéristiques suivantes:

D comme matière pour la chemise de cylindre, on uti-

lise, en variante, l'un des deux alliages d'alumi-

nium/silicium A et B suivants, exempts de particules de substance dure indépendantes du bain d'élaboration de l'alliage, les indications chiffrées désignant la teneur en pour-cent en poids: alliage A: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 % magnésium 0,80 à 2, 0 %, de préférence environ 1,2 % cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 % fer 0,25 % maximum manganèse, nickel et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, ou alliage B: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 %, magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %, cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3, 9 %, fer 1,0 à 1,4 %, nickel 1,0 à 0,5 %, manganèse et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium,

D à partir de l'alliage d'aluminium/silicium, on pro-

duit d'abord, par pulvérisation fine de la matière du bain et précipitation du brouillard de matière fondue

du bain en un corps qui croît progressivement, un lo-

pin, avec formation à grain fin des cristaux pri-

maires de silicium et des phases intermétalliques à l'intérieur, lopin que l'on transforme par extrusion en un demi-produit tubulaire à partir duquel on forme la chemise de cylindre, > on atomise la matière du bain si finement, lors de

la pulvérisation, que les cristaux primaires de sili-

cium et les phases intermétalliques se formant dans le lopin croissant, présentent les grosseurs de grain suivantes, les indications chiffrées désignant le diamètre de grain moyen en pm: cristaux primaires de Si: 2 à 15, de préférence 4,0 à ,0 pm, phase A12Cu: 0,1 à 5,0, de préférence 0,8 à 1,8 pm, phase Mg2Si: 2,0 à 10,0, de préférence 2,5 à 4,5 pm,

! le dégagement des cristaux primaires et des par-

ticules incrustés en surface, pour les dégager de la

portée de la chemise de cylindre incorporée à la cou-

lée dans le bâti et dont la portée a déjà été soumise

à un usinage de finissage, s'effectue par voie chi-

mique par attaque au moyen d'une lessive aqueuse.

En raison de la composition d'alliage particu-

lière de la matière constitutive de la chemise, il s'y forme, directement à partir du bain d'élaboration de l'alliage, des cristaux primaires de silicium et des

phases intermétalliques; on peut se dispenser par consé-

quent d'une addition en mélange de particules dures four-

nies séparément. De plus, l'invention utilise le compac-

tage par pulvérisation de l'alliage, lequel est bien maî-

trisable quant à la technique du processus et relativement économique, suivi de l'extrusion de l'ébauche. Le

rétreint et ce que l'on appelle le thixoformage sont pos-

sibles aussi. Ces procédés, en particulier l'extrusion,

produisent une oxydation particulièrement faible des sur-

faces des gouttelettes et assurent une porosité particu-

lièrement faible de la chemise. Les compositions d'al-

liage A et B mentionnées sont optimisées respectivement pour l'application à un piston revêtu de fer (alliage A) et à un piston d'aluminium non revêtu (alliage B). Les particules dures, nées dans le bain d'élaboration, possèdent d'une part une grande dureté et confèrent à la portée une bonne tenue à l'usure, et elles n'affectent pas excessivement, d'autre part, l'usinage de la matière, de sorte que la portée se laisse suffisamment bien usiner mécaniquement. En raison de la formation des cristaux primaires et des phases intermétalliques dans chaque

gouttelette pulvérisée du métal en fusion du bain, la-

quelle se solidifie ensuite sur l'ébauche croissante, on obtient, en raison même du processus, une répartition

très uniforme des particules dures au sein de la pièce.

En outre, les particules nées dans le bain ont moins

d'arêtes et ne sont pas aussi agressives sur le plan tri-

bologique que les particules obtenues par rupture. Par ailleurs, les particules métalliques dures originaires du bain, sont insérées plus intimement dans la structure de

base de l'alliage que des particules non métalliques ob-

tenues par rupture et ajoutées en mélange, de sorte que

le risque de formation de fissures aux limites des sub-

stances dures est moins grand. Il s'y ajoute que les par-

ticules dures nées dans le bain, présentent un meilleur comportement au rodage pendant le fonctionnement et une plus faible agressivité abrasive à l'égard du piston et de ses segments, ce qui procure des durabilités accrues

ou - si l'on accepte les durabilités conventionnelles -

la possibilité d'utiliser des exécutions moins coûteuses

du piston et/ou des segments de piston.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention ressortiront plus clairement de la description

qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une coupe partielle d'un mo-

teur à pistons alternatifs, montrant une chemise de cy-

lindre incorporée dans le bâti-carter du moteur lors de la coulée de celui-ci; - la figure 2 est un détail fortement agrandi d'une coupe prise parallèlement à une génératrice du corps de cylindre d'une zone limitrophe de la surface de la chemise; - la figure 2a est une représentation à plus grande échelle encore d'un détail de la figure 2;

- la figure 3 est un diagramme en barres indi-

quant les grosseurs de grain des différentes particules nées dans le bain; et - la figure 4 montre un dispositif pour dégager au moyen d'un fluide les particules dures de la surface

de la chemise.

La figure 1 représente partiellement un moteur

à pistons alternatifs comprenant un bâti 2 formé par cou-

lée sous pression, dans lequel sont disposés des corps de

cylindre 4 destinés à recevoir chacun une chemise de cy-

lindre 6 dans laquelle un piston 3 est guidé dans ses mouvements de montée et de descente. Le bâti-carter 2 est

surmonté d'une culasse 1 pourvue des dispositifs néces-

saires à la distribution et à l'allumage. A l'intérieur du bâti, on a prévu, autour des corps de cylindre 4, une cavité pour la formation d'une chemise d'eau 5 servant au

refroidissement des cylindres.

La chemise de cylindre 6 est fabriquée comme une pièce séparée, selon un procédé décrit plus en détail

par la suite, en un alliage de composition hypereutec-

tique dont il sera également encore question plus en dé-

tail dans ce qui suit, puis incorporée en tant que pièce brute dans le bâti 1 lors de la coulée de celui-ci et usinée ensemble avec ce bâti. A cet effet, la surface intérieure venant en contact avec le piston ou portée de la chemise est notanumment dégrossie d'abord puis soumise à un usinage de finissage avec enlèvement de copeaux dans le sens d'un alésage ou d'un tournage. Après cela, la portée 7 est rodée (honing) en au moins une étape. A la suite du rodage, les particules dures, telles que des

cristaux de silicium et des phases intermétalliques, si-

tuées dans la portée et constituant des précipités plus durs que la structure de base de l'alliage, sont dégagées de la portée, de manière que des faces en plateau des

particules fassent saillie par rapport à la partie res-

tante de la surface de la structure de base de l'alliage.

Afin de perfectionner les chemises de cylindre pour ce qui concerne la tenue à l'usure ainsi que la consommation d'huile de lubrification et par suite

l'émission d'hydrocarbures par le moteur à combustion in-

terne, l'invention prévoit un faisceau de mesures qui co-

opèrent conjointement dans ce sens.

A cet égard, il y a lieu de mentionner d'abord l'optimisation de la composition de l'alliage ou, plus

précisément, de deux types d'alliages dont il a été dé-

couvert qu'ils sont optimaux pour l'application envisagée et qui sont utilisables comme des variantes, dont l'un, le type d'alliage A, est recommandé pour être utilisé en combinaison avec un piston revêtu de fer. En raison de la topographie superficielle fine des chemises de cylindre selon l'invention, le type d'alliage A est utilisable

aussi, à la place de pistons avec des revêtements fer-

reux, en combinaison avec des revêtements de graphite par

exemple, qui sont plus avantageux quant aux coûts.

L'autre type d'alliage, B, a été optimisé pour être uti-

lisé en combinaison avec des pistons d'aluminium non re-

vêtus. Les indications suivantes en pour-cent s'entendent

en poids.

Plus exactement, l'alliage A possède la composition sui-

vante: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 %, magnésium 0, 80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %, cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 %, fer maximum 0,25 % manganèse, nickel et zinc tout au plus 0,01 % chacun,

reste aluminium.

L'alliage B, prévu pour être utilisé en combi-

naison avec des pistons d'aluminium non revêtus, possède la même composition que l'alliage A pour ce qui concerne les fractions de silicium, cuivre, manganèse et zinc, seules les teneurs en fer et nickel étant un peu plus élevées, à savoir fer 1,0 à 1,4 % et

nickel 1,0 à 5,0 %.

De l'alliage d'aluminium/silicium, on produit d'abord, par fine pulvérisation du métal en fusion du

bain dans une atmosphère exempte d'oxygène et précipita-

tion du brouillard de métal en un corps qui croît pro-

gressivement, un lopin contenant des cristaux primaires de silicium 8 ayant une structure à grain fin et des phases intermétalliques 9 et 10, plus précisément entre le magnésium et le silicium (Mg2Si) et entre l'aluminium

et le cuivre (Al2Cu). La majeure partie du métal en fu-

sion atomisé, environ 80 %, est refroidie très rapidement

dans un jet d'azote, les vitesses de refroidissement at-

teintes étant de l'ordre de 103 K/s. Le reste des goutte-

lettes conserve son état liquide ou se solidifie au moins

en partie seulement jusqu'à son impact sur le porte-lo-

pin. Par cette opération, appelée "compactage par pulvé-

risation", on peut créer une structure à bande très étroite quant à la grosseur de grain, avec des variations d'environ + 5... 10 pm autour d'une valeur moyenne, des valeurs typiques étant comprises entre 30 et 50 pm. En l'occurrence, on travaille avec un ajustement granulcmétrique très fin, de sorte qu'on obtient une structure fine correspondante à distribution fine et uniforme du

silicium. Chaque particule pulvérisée contient intégrale-

ment les éléments d'alliage. Les particules pulvérisées ou goutelettes sont projetées sur un disque tournant, sur lequel croît le lopin mentionné, dont le diamètre est par exemple de 250 ou de 400 mm. Ceci dépend de la conception

de l'installation. Les lopins doivent ensuite être trans-

formés en tubes dans une presse à filer. Il est conce-

vable aussi de ne pas faire croître le lopin axialement sur un disque tournant, mais de faire croître la masse de

métal en fusion atomisé en direction radiale sur un cy-

lindre tournant, de sorte qu'il se forme une ébauche es-

sentiellement tubulaire.

Le métal en fusion du bain est atomisé si fine-

ment lors de la pulvérisation que les cristaux primaires

de silicium 8 se formant dans le lopin en cours de crois-

sance et les phases intermétalliques 9 et 10 présentent des grosseurs de grain très petites, ayant les dimensions suivantes: cristaux prim. de Si: 2 à 15, de préférence 4 à 10 Mm, phase A12Cu: 0,1 à 5,0, de préférence 0,8 à 1,8 pm,

phase Mg2Si: 2,0 à 10,0, de préférence 2,5 à 4,5 pm.

Grâce à cette granularité fine, on obtient

d'une part une distribution finement dispersée des parti-

cules dures au sein de la structure de base de l'alliage et d'autre part une matière homogène. Comme l'atomisation s'effectue à partir d'un bain, des défauts d'homogénéité de mélange ne peuvent pas se produire. Le compactage des

gouttelettes atomisées du métal en fusion, entraîne éga-

lement une cohésion très intime des gouttes entre elles

et une absence poussée de porosités. Des porosités rési-

duelles sont éliminées par la transformation du lopin en tube. Le procédé de compactage par pulvérisation d'alliages d'aluminium est en lui-même connu et seulement applicable ici de manière avantageuse. L'extrusion par une presse à filer des lopins ainsi produits pour les transformer en tubes, d'o peuvent être coupées ensuite

des chemises individuelles, est également connue en elle-

même. Pour cette raison, il n'en sera plus question ici. Cependant, une particularité en relation avec la présente application de ce procédé est qu'une étape de maintien à un niveau de température relativement élevée est prévue au départ, ceci afin de stabiliser la répartition en

grosseurs de grain des cristaux primaires de silicium.

Les pièces brutes pour chemises de cylindres, ainsi produites et amenées éventuellement par un usinage avec enlèvement de copeaux à une certaine cote pour l'usinage consécutif, sont incorporées lors de la coulée dans un bâti-carter fait d'un alliage d'aluminium qui se laisse bien couler, un procédé de coulée sous pression

étant préféré et recommandé pour la présente application.

Dans ce but, les chemises préfabriquées et à incorporer à la coulée, sont glissées sur une tige de guidage alors que le moule pour la coulée sous pression est ouvert, le moule est fermé et la matière à couler sous pression est injectée. En raison du refroidissement rapide et de la possibilité de refroidir la chemise à incorporer par l'intermédiaire de la tige de guidage, le métal liquide

de la pièce coulée sous pression ne risque pas d'influen-

cer thermiquement de façon incontrôlée la matière consti-

tutive de la chemise. Une liaison métallique partielle est obtenue dans la zone de concentration thermique, sans que la structure de la chemise soit influencée. L'alliage utilisé pour la coulée sous pression est hypoeutectique et se laisse donc bien mettre en forme sur le plan de la

technique de coulée. Le coefficient de dilatation ther-

mique de l'alliage de la pièce coulée sous pression est nettement supérieur à celui de la chemise, de sorte qu'un

bon ajustement serré entre elles est garanti.

Après l'incorporation de la chemise dans le bâti pendant la coulée de celui-ci, le bâti est usiné par enlèvement de copeaux sur les surfaces nécessaires, en particulier sur la surface intérieure ou portée 7 de la chemise 6. Ces opérations d'usinage - on mentionnera ici seulement l'alésage et le rodage (honing) à titre

d'exemples - sont également connues en elles-mêmes, rai-

son pour laquelle il n'en sera plus question ici. A la suite du rodage, les cristaux primaires de silicium 8 et

les particules de phases intermétalliques 9 et 10 incrus-

tés en surface, doivent être dégagés ou davantage mis à nu. Le dégagement s'effectue par voie chimique, par attaque au moyen de fluides compatables avec le respect de l'environnement, faciles à neutraliser, notamment, par

exemple, au moyen de lessive de soude aqueuse. La tech-

nique de l'installation et les paramètres du processus décrits ci-après, sont spécialement axés sur l'alliage utilisé selon le présent mémoire, ainsi que la technique du compactage par pulvérisation et la formation de la

structure désirée de la chemise.

Les paramètres de processus suivants sont re-

commandés: fluide de traitement: lessive de soude aqueuse (NaOH) à

4,5 - 5,5 %,

température de traitement: 50 + 3 C, temps d'action: 15 à 50 s, de préférence environ 30 s, débit: 3 à 4 litres par cylindre pendant le temps de traitement. Pour ce qui concerne le dégagement chimique, on décrira d'abord plus en détail l'installation représentée

schématiquement sur la figure 4 et utilisée ici. Le dis-

positif montré par cette figure comporte une table recou-

verte d'un joint d'étanchéité 18 et sur laquelle le bâti 2 à traiter est serré de façon étanche par sa face plane à diriger vers la culasse. Un tube d'évacuation 13 est engagé concentriquement, d'en bas, à l'intérieur de chaque chemise de cylindre 6 et traverse de façon étanche le joint 18. La table de traitement est munie de tubes

d'évacuation dont le nombre et la disposition correspon-

dent au nombre et à la disposition des cylindres du bâti- carter à traiter. Entre la portée 7 à traiter de chaque chemise et le tube d'évacuation correspondant, subsiste chaque fois un intervalle annulaire 26 de largeur

constante et qui est rempli de fluide pendant le fonc-

tionnement. Par son bord supérieur libre - faisant office de trop-plein , le tube d'évacuation se termine un peu

au-dessous de l'extrémité de chemise dirigée vers le vi-

lebrequin à l'état monté dans le moteur et qui est tour-

née vers le haut dans la position de traitement. Plu-

sieurs embouts de sortie 23 d'une conduite d'arrivée 24 traversent également de manière étanche le joint 18 et

débouchent dans l'intervalle annulaire précité. Un pre-

mier réservoir 14 contient un fluide de traitement ser- vant de liquide d'attaque, par exemple une lessive de soude aqueuse à

environ 5 %, qu'une première pompe 21

peut refouler à travers une première conduite d'alimenta-

tion 25 et un premier robinet 15 à trois voies dans la

conduite d'arrivée et par suite dans l'intervalle annu-

laire 26. Le fluide débordant en haut dans le tube d'éva-

cuation 13, retourne à travers un deuxième robinet à trois voies 17 et une première conduite de retour 27 dans le réservoir 14. La conduite de retour 27 est posée de manière que lorsque le deuxième robinet à trois voies 17 a été amené à la position voulue, le contenu du tube d'évacuation puisse se vider entièrement, par gravité, dans le réservoir 14. Pour que, après l'arrêt de la pompe 21 de refoulement du fluide, l'intervalle annulaire 26 puisse se vider également par gravité dans le réservoir 14, une conduite de vidage 30 est raccordée à travers un

robinet à deux voies 16 à la conduite d'arrivée 14 et dé-

bouche dans le réservoir 14 pour le fluide de traitement.

Celui-ci est maintenu à une certaine température modérée, par exemple à environ 50 C, au moyen d'un chauffage non

représenté. Le contenu du réservoir 14 est brassé en per-

manence par un agitateur 19 et maintenu à une concentra-

tion uniforme; des différences locales de température sont ainsi compensées également. En parallèle - pour ce

qui concerne la circulation du fluide et fonctionnelle-

ment - avec le circuit qui vient d'être décrit pour le

fluide de traitement, on a prévu un circuit de constitu-

tion entièrement analogue pour un liquide de lavage, de l'eau par exemple, qui comprend les composants suivants: un réservoir 20, une seconde pompe 22, une seconde conduite d'alimentation 28, le premier robinet à trois voies 15, la conduite d'arrivée 24, les embouts de sortie 23, l'intervalle annulaire 26, le tube d'évacuation 13, le deuxième robinet à trois voies 17, une seconde conduite de retour 29 et, de nouveau, le réservoir 20. La

manoeuvre conjointe des deux robinets à trois voies per-

met de faire agir, au choix, le circuit pour le fluide de traitement ou le circuit pour le fluide de lavage et de le raccorder au trajet de traitement, en particulier aux intervalles annulaires 26. Avant le renversement pour passer du fluide de traitement au fluide de lavage, il faut d'abord vider le trajet de traitement, c'est-à-dire la partie des circuits passant par la pièce traitée et située au-delà des deux robinets à trois voies 15 et 17

afin que ce trajet ne contienne plus de fluide de traite-

ment, ceci dans le but d'éviter que du fluide de traite-

ment soit mélangé avec le fluide de lavage.

Afin de dégager les cristaux primaires de sili-

cium et les particules de phases intermétalliques situés

dans la portée 7, après qu'un bâti 2 a été serré à la po-

* sition convenable sur le joint d'étanchéité 18, on rac-

corde d'abord le circuit de fluide de traitement au tra-

jet de traitement, en particulier à l'intervalle annu-

laire 26, au moyen des deux robinets à trois voies 15 et 17, puis on remplit au moyen de la pompe 21 l'intervalle

annulaire 26 de fluide de traitement provenant du réser-

voir 14. Il convient que le bâti soit préchauffé à la température de traitement, donc à environ 50 C par exemple, pour éviter le refroidissement du fluide de

traitement tempéré et afin que la température de traite-

ment désirée règne effectivement et dès le départ sur la portée 7 à traiter. Le processus de refoulement de fluide de traitement est ensuite maintenu pendant un temps de traitement déterminé, qui est de préférence d'environ 30 s, à une vitesse modérée de recyclage, produisant un débit d'environ 0,1 1/s par cylindre. Le temps de traitement est choisi empiriquement en fonction de la nature du

fluide de traitement, de la concentration et de la tempé-

rature, de manière que la profondeur de dégagement t dé-

sirée soit obtenue dans ce temps.

Quand le temps de traitement est terminé, la pompe 21 pour le fluide de traitement est arrêtée et le fluide contenu dans l'intervalle annulaire est vidé dans le réservoir 14 à travers le robinet à deux voies 16, à présent ouvert; en même temps, le tube d'évacuation 13 se vide également dans le réservoir 14 à travers le robinet

à trois voies 15 - qui est encore ouvert - vers ce réser-

voir. Après que le robinet à deux voies 16 a de nouveau été fermé, le renversement des deux robinets à trois voies 15 et 17 permet de raccorder le circuit de fluide de lavage à l'intervalle annulaire 26 et la pompe 22 pour

le fluide de lavage peut être mise en marche. Les inter-

valles annulaires 26 et en particulier les portées 7 du bâti sont maintenant lavés et débarrassés ainsi des restes de fluide de traitement; dans ce but, le circuit de fluide de lavage reste enclenché pendant un certain temps qui est optimisé empiriquement. Ensuite, le circuit de lavage est de nouveau arrêté et le contenu du tube d'évacuation est vidé par gravité dans le réservoir 20 de fluide de lavage. L'intervalle annulaire 26 doit également

être vidé, mais, dans l'exemple de réalisation re-

présenté, cet intervalle peut se vider seulement dans le réservoir par l'ouverture du robinet à deux voies 16 et à travers la conduite de vidage 30. Après cela, le bâti dont le traitement est maintenant terminé, peut être des- serré et retiré de l'installation. Celle-ci est à présent

prête à recevoir une nouvelle pièce.

Ce type de traitement a pour effet que la ma-

tière de la matrice de l'alliage, se trouvant entre les

différentes particules plus dures incrustées dans la sur-

face, est enlevée dans une faible mesure, si bien que les particules plus dures dépassent ensuite par une aire de surface en plateau 11 par rapport à la matière de base

12, d'une quantité correspondant à la profondeur de déga-

gement t. Un petit creux ou sillon 31 se forme aux li-

mites des particules, mais sa profondeur est si faible

qu'un bon maintien mécanique des particules dans la ma-

tière de base est assurée. La profondeur de dégagement t est influencée par les paramètres indiqués du processus et modulée selon les besoins. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la profondeur de dégagement t des faces en plateau 11il des cristaux primaires 8 et des

particules 9, 10, par rapport à la matière de base 12 en-

vironnante de l'alliage, est d'environ 0,3 à 1,2 pm, de

préférence d'environ 0,7 nm.

La formation de la structure est ajustée de ma-

nière que des portées garantissant un fonctionnement sûr

soient obtenues déjà à de très faibles profondeurs de dé-

gagement t, de 0,5 Mm ou moins, raison pour laquelle on s'efforce d'obtenir une profondeur de dégagement de 0,3 à

1,2 pm, de préférence d'environ 0,7 pm. Après le dégage-

ment des cristaux primaires et des particules intermétal-

liques, la portée 7 de la chemise de cylindre 6 présente une rugosité ayant les valeurs suivantes: profondeur de rugosité moyenne Rz = 2,0 à 5,0 pm, profondeur de rugosité isolée maximale Rmax = 5 Mm, profondeur de rugosité de noyau Rk = 0,5 à 2,5 pm, hauteur d'aspérité réduite Rpk = 0,1 à 0,5 Mm et profondeur de striation réduite Rvk = 0,3 à 0,8 pm, les désignations et valeurs Rz et Rmax correspondent à la norme DIN 4768, feuille 1, et les désignations et valeurs

Rk, Rpk et Rvk correspondent à la norme DIN 4776.

La faible profondeur de dégagement, la nature à

grain fin des particules portantes situées dans la por-

tée, due à la matière constitutive de la chemise, de même

que la nature même de cette matière, conduisent globale-

ment à de très faibles consommations d'huile, une haute tenue à l'usure et de bonnes propriétés de glissement. De plus, grâce à la chemise de cylindre ayant la composition et soumise au traitement selon l'invention, les pistons peuvent être munis d'un revêtement peu coûteux et être

garnis de segments peu coûteux.

Claims

REVENDICATIONS

1. Chemise de cylindre en alliage d'alumi-

nium/silicium hypereutectique incorporée la coulée dans un moteur ou une autre machine à piston(s) alternatif(s), caractérisée par l'ensemble des caractéristiques sui- vantes: D l'alliage d'aluminium/silicium - exempt de particules de substance dure indépendantes du bain d'élaboration de l'alliage - de la chemise de cylindre (6) possède, dans les deux types d'alliage A et B utilisables en variante, les compositions suivantes, les indications chiffrées désignant la teneur en pour-cent en poids: alliaqe A: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 % magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 % cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 % fer 0,25 % maximum manganèse, nickel et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, ou alliaqe B: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 %, magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %, cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 %, fer 1,0 à 1, 4 %, nickel 1,0 à 0,5 %, manganèse et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, > la chemise de cylindre (6) contient des cristaux

primaires de silicium (8) et des phases intermétal-

liques (9, 10) ayant les grosseurs de grain sui-

vantes, les indications chiffrées désignant le dia-

mètre de grain moyen en pm: cristaux primaires de Si: 2 à 15, de préférence 4,0 à ,0 Pm, phase A12Cu: 0,1 à 5,0, de préférence 0,8 à 1,8 pm, phases Mg2Si: 2,0 à 10,0, de préférence 2,5 à 4,5 min, D de la surface intérieure ou portée (7) de la chemise de cylindre, portée qui a été soumise à un usinage de

finissage, on a dégagé (davantage mis à nu) des cris-

taux primaires de silicium (8) et des particules de phases intermétalliques (9, 10) incrustés en surface.

2. Chemise de cylindre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la profondeur de dégagement (t) des faces (aires de surface) en plateau (11) des cristaux primaires (8) et des particules (9, 10), par rapport à la

matière de base environnante (12) de l'alliage, est d'en-

viron 0,3 à 1,2 pm, de préférence d'environ 0,7 pm.

3. Chemise de cylindre selon la revendication

1, caractérisée en ce que, après le dégagement des cris-

taux primaires (8) et des particules (9, 10), la portée (7) de la chemise de cylindre (6) présente un rugosité ayant les valeurs suivantes: profondeur de rugosité moyenne Rz = 2,0 à 5,0 pm, profondeur de rugosité isolée maximale Rmax = 5 pm, profondeur de rugosité de noyau Rk = 0,5 à 2,5 pm, hauteur d'aspérité réduite Rpk = 0,1 à 0,5 pm et profondeur de striation réduite Rvk = 0,3 à 0,8 pm, les désignations et valeurs Rz et Rmax correspondent à la norme DIN 4768, feuille 1,et les désignations et valeurs

Rk, Rpk et Rvk correspondent à la norme DIN 4776.

4. Procédé pour fabriquer une chemise de cy-

lindre en alliage d'aluminium/silicium hypereutectique, selon lequel on produit d'abord la chemise séparément comme une pièce brute tubulaire et on l'incorpore ensuite à la coulée dans le bâti - supportant la chemise d'une machine à piston(s) alternatif(s), selon lequel, en outre, à l'état incorporé de la chemise de cylindre dans

le bâti lors de la coulée de celui-ci, on soumet la por-

tée de la chemise à un usinage de dégrossissage avec enlèvement de copeaux puis à un usinage de finissage dans le sens d'un alésage ou d'un tournage puis on effectue un rodage en au moins une étape, et selon lequel, après cela, on dégage ou dégarnit les particules dures situées dans la portée et constituant des précipités plus durs

que la structure de base de l'alliage, tels que des cris-

taux de silicium et/ou des phases intermétalliques, de manière que des faces (aires de surface) en plateau des particules dures fassent saillie par rapport à la partie

restante de la surface de la structure de base de l'al-

liage, en particulier en vue de la fabrication d'une che-

mise de cylindre selon la revendication 1, caractérisé par l'ensemble des caractéristiques suivantes: > comme matière pour la chemise de cylindre (6), on

utilise, en variante, l'un des deux alliages d'alumi-

nium/silicium A et B suivants, exempts de particules de substance dure indépendantes du bain d'élaboration de l'alliage, les indications chiffrées désignant la teneur en pour-cent en poids: alliage A: silicium 23,0 à 28,0 %, de préférence environ 25 % magnésium 0,80 à 2, 0 %, de préférence environ 1,2 % cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 % fer 0,25 % maximum manganèse, nickel et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, ou alliage B: silicium 23, 0 à 28,0 %, de préférence environ 25 %, magnésium 0,80 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %, cuivre 3,0 à 4,5 %, de préférence environ 3,9 %, fer 1,0 à 1,4 %, nickel 1,0 à 0,5 %, manganèse et zinc tout au plus 0,01 % chacun, reste aluminium, D à partir de l'alliage d'aluminium/silicium, on produit d'abord, par pulvérisation fine de la matière du bain et précipitation du brouillard de matière fondue du bain en un corps qui croît progressivement, un lopin, avec formation à grain fin des cristaux primaires de silicium (8) et des phases intermétalliques (9, 10) à l'intérieur, lopin que l'on transforme par extrusion en un demi-produit tubulaire à partir duquel on forme la chemise de cylindre, > on atomise la matière du bain si finement, lors de

la pulvérisation, que les cristaux primaires de sili-

cium (8) et les phases intermétalliques (9, 10) se

formant dans le lopin croissant, présentent les gros-

seurs de grain suivantes, les indications chiffrées désignant le diamètre de grain moyen en um: cristaux primaires de Si: 2 à 15, de préférence 4,0 à ,0 pm, phase Al2Cu: 0,1 à 5,0, de préférence 0,8 à 1, 8 Mm, phase Mg2Si: 2,0 à 10,0, de préférence 2,5 à 4,5 um,

> le dégagement des cristaux primaires (8) et des par-

ticules (9, 10) incrustés en surface, pour les déga-

ger de la portée (7) de la chemise de cylindre (6) incorporée à la coulée dans le bâti et dont la portée (7) a déjà été soumise à un usinage de finissage, s'effectue par voie chimique par attaque au moyen

d'une lessive aqueuse.