FR3040712A1 - Procede ameliore de formation d'un revetement de conduit de culasse et culasse ainsi obtenue - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de formation d'un revêtement sur des parois d'un conduit interne de pièce de fonderie en alliage d'aluminium, comprenant l'insertion d'une cathode dans le conduit, la mise en circulation d'une solution électrolytique dans ledit conduit entre la cathode et les parois du conduit formant anode, et l'application d'une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, le procédé étant caractérisé en ce que l'application de la différence de potentiel entre l'anode et la cathode comprend l'application d'une série d'impulsions de tension continue à l'anode. L'invention a également pour objet une culasse dont les conduits d'échappements sont revêtus d'un revêtement obtenu par la mise en œuvre de ce procédé.

Description

DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé de formation d’un revêtement d’oxyde d’aluminium sur des parois d’un conduit interne de culasse automobile en alliage d’aluminium, et une culasse automobile obtenue par un tel procédé.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les culasses automobiles sont réalisées en alliage d’aluminium essentiellement pour des raisons de gain de masse. L’augmentation de la puissance spécifique des moteurs développés récemment impose sur la culasse des sollicitations thermiques de plus en plus élevées.

Le bon refroidissement de la culasse est obtenu par l’intégration de circuits de refroidissement à l’intérieur de celle-ci, de plus en plus complexes, réalisés au cours du moulage de la culasse par des noyaux en sable.

Ceci permet dans une certaine mesure de compenser l’élévation de température générée par l’augmentation de puissance spécifique du moteur, mais s’avère de plus en plus souvent insuffisant, et de plus impose de modifier la géométrie des conduits intérieurs des culasses.

Pour limiter encore l’élévation de température de la culasse, il a été proposé des procédés électrochimiques permettant de former, sur les parois de conduits intérieurs des culasses, par exemple des conduits d’échappement, un revêtement d’oxyde, afin de limiter les échanges thermiques entre la culasse et le conduit (par exemple les gaz d’échappement présents dans le conduit).

Ceci permet d’une part de réduire la température de la culasse, et d’autre part d’augmenter la température des gaz à la sortie de la culasse, ce qui améliore le rendement du moteur, sans impacter la géométrie des conduits.

Par exemple le document WO 2013/38249 décrit un tel procédé d’oxydation anodique des parois de conduits d’échappement d’une culasse.

Cependant, ce procédé présente l’inconvénient que le revêtement ainsi obtenu est poreux du fait de la dissolution de l’aluminium lors de l’électrolyse. La présence de ces porosités peut générer des amorces de fissures en particulier lorsque la culasse est exposée aux températures usuelles de fonctionnement du moteur, qui peuvent atteindre 250°C ou plus.

Il peut en résulter des fuites entre les circuits d’eau ou de liquide de refroidissement se trouvant dans le voisinage immédiat des conduits d’échappement vers ces conduits, ce qui peut entraîner la ruine du moteur.

Il est donc nécessaire d’effectuer un post-traitement de colmatage du revêtement d’oxyde, ce qui rend le procédé plus long et plus coûteux.

Il existe donc un besoin pour une solution permettant de limiter les échanges thermiques entre les gaz d’échappement et la culasse ne présentant pas ces inconvénients.

PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention a pour but de proposer un procédé de formation d’un revêtement d'oxyde dans des conduits intérieurs de culasse ne présentant pas les inconvénients de l’art antérieur.

En particulier, un but de l’invention est de permettre la formation d’un revêtement d’oxyde ne nécessitant pas de post-traitement de colmatage.

Un autre but de l’invention est de proposer un procédé de formation d’un revêtement d’oxyde permettant d’obtenir une qualité améliorée d’oxyde par rapport à l’art antérieur.

Un autre but de l’invention est de proposer un procédé de formation d’un revêtement d’oxyde de mise en œuvre plus rapide par rapport à l’art antérieur, compatible avec une production en grande série. A cet égard, l’invention a pour objet un procédé de formation d’un revêtement d’oxyde sur des parois d’un conduit interne de pièce de fonderie en alliage d’aluminium, comprenant l’insertion d’une cathode dans le conduit, la mise en circulation d’une solution électrolytique dans ledit conduit entre la cathode et les parois du conduit formant anode, et l’application d’une différence de potentiel entre l’anode et la cathode, le procédé étant caractérisé en ce que l’application de la différence de potentiel entre l’anode et la cathode comprend l’application d’une série d’impulsions de tension continue à l’anode.

Avantageusement, mais facultativement, le procédé selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes : chaque impulsion de la série présente une durée comprise entre 0.01 et 0.02 s et deux impulsions successives sont séparées de 0.001 à 0.01 s. la tension appliquée à l’anode varie lors de la série d’impulsions et est comprise entre 0 et 150 V pour maintenir une densité de courant comprise entre 10 et 50 A/dm2 de surface à traiter. la durée totale de la série d’impulsions est comprise entre 30 et 300 s en fonction du type d’alliage à traiter et de l’épaisseur d’oxyde souhaitée, l’électrolyte comprend 10 à 20% d’acide sulfurique et 1 à 5% de sulfate ferreux. le débit d’électrolyte dans un conduit est compris entre 0.5 et 2,0 m3/h par dm2 de surface à traiter. la température de l’électrolyte dans un conduit est comprise entre -10°C et 0 °C. la cathode est conformée pour épouser la forme du ou des conduits internes de la pièce de fonderie, en laissant un interstice moyen compris entre 3 et 15 mm entre la cathode et la paroi du conduit. L’invention a également pour objet une culasse automobile en alliage d’aluminium caractérisée en ce qu’elle comprend, sur les parois d’au moins un conduit interne, un revêtement d’oxyde d’aluminium d’une épaisseur comprise entre 50 et 200 pm, adapté pour assurer l’étanchéité et l’isolation thermique de la paroi du conduit interne de la culasse lors de l’écoulement, dans ledit conduit, gaz d’échappement à une température supérieure à 900 °C.

Avantageusement, la culasse automobile est obtenue par la mise en œuvre du procédé selon la description qui précède.

Dans un mode de réalisation, les conduits internes de la culasse pourvus d’un revêtement d’oxyde sont des conduits d’échappement de produits de combustion. L’utilisation de courants pulsés lors du traitement d’anodisation de la culasse permet d’obtenir plus rapidement un revêtement d’épaisseur déterminé.

En outre, les courants pulsés permettent également d’obtenir un revêtement de qualité accrue et non poreux. Ce revêtement permet donc d’assurer l’étanchéité des conduits de la culasse, ce qui supprime la nécessité d’un post-traitement de colmatage. L’utilisation d’une cathode dont la géométrie est conforme à celle du conduit interne de la culasse à revêtir permet de générer des lignes de courant homogènes sur l’ensemble du conduit et ainsi un revêtement d’épaisseur homogène au terme du traitement.

Le choix de la composition de l’électrolyte contribue à la réduction du caractère poreux du revêtement et contribue donc à son caractère étanche.

La modulation du débit d’électrolyte permet également d’évacuer au mieux les calories générées (pertes Joules) lors de l’électrolyse pour limiter le phénomène de dissolution de couche d’oxyde survenant lors de la génération de cette couche. Le maintien de la température d’électrolyte dans la plage voulue permet d’améliorer la qualité de la couche de revêtement obtenue.

DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 schématiquement un système pour la mise en oeuvre d’un procédé de formation de revêtement sur une culasse conformément à un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2a représente des conduits internes d’une culasse, et la figure 2b représente une culasse à collecteur de gaz d’échappement intégré.

La figure 3 représente une cathode conformée pour correspondre à la forme des conduits internes d’une culasse.

La figure 4 représente l’évolution de la tension appliquée à la culasse et la densité de courant entre l’anode et la cathode lors de la mise en œuvre du procédé de formation du revêtement isolant.

La figure 5 représente un spectre d’analyse EDS de l’oxyde d’aluminium déposé par le procédé.

DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE MISE EN ŒUVRE DE L’INVENTION

En référence à la figure 1, on a représenté schématiquement une pièce de fonderie 10 en alliage d’aluminium. Cette pièce de fonderie est de géométrie complexe et comprend notamment des conduits internes 11 noyautés. L’alliage constitutif de cette pièce de fonderie est à base d’aluminium-silicium de type hypo-eutectique, comprenant moins de 12,5% de silicium en masse, et pouvant contenir des éléments d’alliage tels que du cuivre et du magnésium. A titre d’exemple non limitatif, l’alliage constitutif de cette pièce 10 peut être de type AA319 ou un alliage de type AA356.

Comme représenté sur la figure 2, la pièce de fonderie est avantageusement une culasse de moteur 10. Dans ce cas, les conduits internes 11 considérés sont avantageusement des conduits d’échappement de produits de combustion. A cet égard, la culasse 10 est avantageusement une culasse comprenant un collecteur de gaz d’échappement intégré, comme c’est le cas par exemple de la culasse de la figure 2b. Sur la figure 2b sont également représentées les chambres de combustion 19 de la culasse.

Afin de limiter les échanges thermiques entre les gaz d’échappement qui circulent dans le conduit 11, dont la température peut dépasser les 900°C, et la pièce 10, on met en œuvre un procédé de formation d’un revêtement isolant 13 en oxyde d’aluminium sur les parois internes de chaque conduit 11 par oxydation anodique.

Le système 1 utilisé pour mettre en œuvre ce procédé est représenté sur la figure 1.

Il comprend une cathode 3 disposée à l’intérieur de la culasse, un circuit 2 de circulation d’une solution électrolytique entre la cathode et les parois des conduits de la culasse formant anode, et un circuit 4 de commande de la différence de potentiel imposée entre l’anode et la cathode, ladite différence de potentiel engendrant la réaction d’oxydation à l’anode formant le revêtement d’oxyde.

Système de circulation de solution électrolytigue

Le système 2 de circulation de la solution électrolytique dans les conduits 11 de la culasse est représenté sur la figure 1. Il comprend avantageusement un réservoir de solution électrolytique 20, une pompe 21, et un circuit fermé 22 de circulation de solution entre le réservoir et les conduits 11 de la culasse. La solution électrolytique comprend de préférence entre 10 et 20% d’acide sulfurique et de 1 à 5% de sulfate ferreux.

Pour éviter une dissolution de l’oxyde créé lors du procédé de formation du revêtement, cette dissolution étant catalysée par la chaleur occasionnée par l’électrolyse, la solution est avantageusement maintenue à une température comprise entre -10°C et 0°C. A cet égard, le circuit 2 comprend avantageusement un organe de refroidissement 23 de la solution électrolytique. De plus, la pompe est avantageusement à débit variable pour moduler le débit d’électrolyte en fonction de la température.

Avantageusement, la pompe 21 est dimensionnée en fonction de la surface à revêtir et de l’épaisseur de la couche d’oxyde à faire croître, et est avantageusement adaptée pour faire circuler un débit de solution électrolytique dans la culasse compris entre 0,5 et 2 m3 par heure et par décimètre carré (/h.dm2) de surface à traiter.

La circulation d’électrolyte dans les conduits à température comprise entre -10 et 0 °C permet d’obtenir un revêtement homogène.

Disposition de la cathode

Une cathode 3 est positionnée à l’intérieur des conduits d’échappement 11 de la culasse. Cette cathode est réalisée en un matériau permettant à des réactions d’oxydo-réduction de se produire dans la solution électrolytique. En particulier, la cathode est avantageusement réalisée en acier inoxydable de type 316L par exemple.

En référence à la figure 3, la cathode 3 est avantageusement conformée de manière à épouser la forme des conduits 11 en laissant un interstice, de préférence constant, entre la cathode et les conduits, permettant la circulation de l’électrolyte. Ceci permet d’établir, lors de l’application d’une différence de potentiel entre l’anode et la cathode, des lignes de courant homogènes sur l’ensemble d’une surface à revêtir, et ainsi d’obtenir une vitesse de croissance de la couche identique sur la surface. Ceci permet d’obtenir à l’issue du procédé une épaisseur de couche homogène sur toutes les surfaces traitées. L’interstice moyen entre la cathode et la paroi d’un conduit est avantageusement compris entre 3 et 15 mm. Ceci constitue un bon compromis sur l’épaisseur à maintenir entre la cathode et la paroi du conduit 11, d’une part pour favoriser la circulation de l’électrolyte et l’entrainement des gaz générés lors de l’électrolyse, y compris lorsque la couche d’oxyde a commencé à se former, et d’autre part pour maintenir une densité de courant suffisante pour ne pas ralentir la croissance de la couche d’oxyde.

Oxydation anodigue

De retour à la figure 1, le système pour la mise en œuvre du procédé de formation d’une couche de revêtement sur les conduits de la culasse 10 comprend en outre un circuit 4 de commande de la différence de potentiel entre l’anode et la cathode.

Le circuit 4 comprend une source de tension 40, adaptée pour délivrer une tension à la culasse 10 formant anode, une unité de commande 41 de la source de tension, et un ou plusieurs capteurs (non représentés) adaptés pour relever les tensions entre l’anode et la cathode, ainsi que le courant entre l’anode et la cathode pour permettre l’obtention du courant défini.

En référence à la figure 4, pour former la couche 13 d’oxyde sur les parois des conduits 11, l’unité de commande 41 pilote la source de tension 40 pour délivrer à l’anode une série d’impulsions de tension continue.

La fréquence des impulsions de tensions est avantageusement supérieure à 10 Hz, de préférence comprise entre 10 et 50 Hz.

Plus précisément, chaque impulsion de tension présente une durée inférieure à 0,1 seconde, et de préférence comprise entre 0,01 et 0,02 seconde, pendant laquelle la valeur de la tension appliquée à l’anode est constante. Chaque impulsion est de plus séparée de l’impulsion suivante par un intervalle de temps non nul inférieur à 0,1 seconde, de préférence inférieur à 0,01 seconde, et avantageusement compris entre 0,001 et 0,01 seconde. Au cours de cet intervalle de temps, la tension appliquée à l’anode est donc nulle. L’application d’une telle série d’impulsions de tension permet de diminuer le temps nécessaire à la mise en œuvre du procédé en favorisant l’évacuation des pertes Joules et des gaz. A titre comparatif, l’obtention d’une couche d’oxyde d’une épaisseur comprise entre 50 et 200 pm nécessite une durée de traitement de l’ordre de 70 secondes, tandis que la durée requise dans l’art antérieur était de l’ordre de plusieurs minutes.

De plus, les valeurs de la tension de chaque impulsion évoluent progressivement au fur et à mesure de la formation de la couche d’oxyde. En effet, du fait de son caractère isolant, la couche d’oxyde s’oppose à l’établissant d’un courant entre l’anode et la cathode.

En particulier, le pilotage de la source de tension 40 par l’unité de commande 41 est asservi à la valeur de la densité de courant entre l’anode et la cathode. La mesure du courant par les capteurs permet à l’unité de commande 41 de calculer la densité de courant et, en fonction du résultat, de piloter la valeur de la tension délivrée par la source de tension 40.

Pour maintenir une densité de courant suffisante pour poursuivre la croissance de la couche, la tension est globalement croissante sur la série d’impulsions. La densité de courant recherchée est avantageusement comprise entre 5 et 50 A/dm2 de surface à traiter.

Ainsi la valeur de la tension de chaque impulsion est comprise entre 0 et 150V, avantageusement entre 0 et 120 V, les impulsions survenant dans les premières secondes, par exemple les 5 ou 10 premières secondes, du procédé présentant une tension comprise entre 0 et 50 V, et les impulsions suivantes présentant avantageusement une tension croissante jusqu’à atteindre une tension suffisante pour maintenir une densité de courant avantageusement supérieure à 5 A/dm2, de préférence supérieure à 10 A/dm2. Cette tension maximale est avantageusement comprise entre 70 et 150 V, et de préférence entre 70 et 120 V.

Cette série d’impulsions de tension continue à l’anode est mise en œuvre pendant une durée comprise entre 30 et 300 s en fonction du type d’alliage à traiter et de l’épaisseur de la couche d’oxyde que l’on souhaite obtenir.

Ainsi l’application d’un potentiel à l’anode génère une différence de potentiel entre la culasse et la cathode, à l’origine de réactions chimiques produisant, à partir de l’aluminium de la culasse, un oxyde d’aluminium sur les parois des conduits d’échappement 11.

On a représenté à la figure 5 un spectre d’analyse EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) réalisé sur l’oxyde d’aluminium ainsi réalisé. Les hauteurs relatives des pics de ce spectre indiquent une composition de l’oxyde proche en stoechiométrie de celle de l’alumine Al203, les autres composants étant des polluants provenant de la composition électrolytique.

Pour que la couche d’oxyde 13 assure l’isolation de la culasse en fonctionnement, c’est-à-dire lorsque des gaz d’une température de 950°C s’écoulent dans les conduits internes, la couche d’oxyde formée sur chaque conduit interne présente avantageusement une épaisseur comprise avantageusement entre 50 et 200pm. Cette épaisseur varie principalement en fonction de la concentration en silicium et en cuivre de l’alliage d’aluminium traité. Elle reste toutefois suffisamment fine pour ne pas modifier les caractéristiques dimensionnelles du produit, dans un intervalle de tolérance de ± 0.5 mm.

Il a été mis en évidence que l’application d’un traitement thermique de type T7, c'est-à-dire comportant une mise en solution à une température comprise entre 490 et 540°C (en fonction de l’alliage d’aluminium utilisé), une trempe à l’eau ou à l’air, et un revenu à une température égale ou supérieure à 200°C, permettait d’obtenir des couches de revêtement plus homogènes en épaisseur et densité.

Le procédé proposé permet ainsi d’obtenir en un temps réduit un revêtement isolant et d’épaisseur homogène sur des conduits internes de pièces en alliage d’aluminium telles que des culasses automobiles.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de formation d’un revêtement d’oxyde d’aluminium sur des parois d’un conduit interne (11) de pièce de fonderie (10) en alliage d’aluminium, le procédé comprenant l’insertion d’une cathode (3) dans le conduit (11), la mise en circulation d’une solution électrolytique dans ledit conduit entre la cathode (3) et les parois du conduit (11) formant anode, et l’application d’une différence de potentiel entre l’anode et la cathode, le procédé étant caractérisé en ce que l’application de la différence de potentiel entre l’anode et la cathode comprend l’application d’une série d’impulsions de tension continue à l’anode.
2. 2. Procédé de formation selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque impulsion de la série présente une durée comprise entre 0.01 et 0.02 s et deux impulsions successives sont séparées de 0.001 à 0.01 s.
3. 3. Procédé de formation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension appliquée à l’anode varie lors de la série d’impulsions, et est comprise entre 0 et 150 V pour maintenir une densité de courant comprise entre 10 et 50 A/dm2 de surface à traiter.
4. 4. Procédé de formation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la durée totale de la série d’impulsions est comprise entre 30 et 300 s en fonction du type d’alliage à traiter et de l’épaisseur d’oxyde souhaitée.
5. 5. Procédé de formation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’électrolyte comprend 10 à 20% d’acide sulfurique et 1 à 5% de sulfate ferreux.
6. 6. Procédé de formation selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le débit d’électrolyte dans un conduit est compris entre 0.5 et 2,0 m3/h par dm2 de surface à traiter.
7. 7. Procédé de formation selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel la température de l’électrolyte dans un conduit est compris entre -10°C et 0 °C.
8. 8. Procédé de formation selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cathode (3) est conformée pour épouser la forme du ou des conduits internes (11) de la pièce de fonderie (10), en laissant un interstice moyen compris entre 3 et 15 mm entre la cathode et la paroi du conduit.
9. 9. Culasse automobile (10) en alliage d’aluminium caractérisée en ce qu’elle comprend, sur les parois d’au moins un conduit interne (11), un revêtement (13) d’oxyde d’aluminium d’une épaisseur comprise entre 50 et 200 pm, adapté pour assurer l’étanchéité et l’isolation thermique de la paroi du conduit interne de la culasse lors de l’écoulement, dans ledit conduit, de gaz d’échappement à une température supérieure à 900 °C.
10. 10. Culasse automobile (10) selon la revendication 9, la culasse étant obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 8.
11. 11. Culasse automobile (10) selon l’une des revendications 9 ou 10, dans laquelle les conduits internes (11) pourvus d’un revêtement (13) d’oxyde sont des conduits d’échappement de produits de combustion.