Brevet FR2005924A1 — publié le 19691219

La présente invention se rapporte à des soupapes perfectionnées pour moteurs à combustion interne et plus particulièrement pour moteurs à allumage par étincelles et vise notamment à réaliser des soupapes qui présentent une résistance aux allumages désordonnés provoqués par des dépôts corrosifs. Dans un moteur à combustion interne neuf du type considéré, c'est-à-dire, dans un moteur à combustion interne pour véhicules automobiles alimenté avec un mélange d'essence et d'air qui est allumé par des étincelles provenant de bougies, moteur qualifié ci-contre de "moteur à explosion", aucun dépôt ne couvre la face des soupapes. Les faces des soupapes sont donc propres. En conséquence, les faces des soupapes ne portent aucune matière susceptible d'être chauffée au rouge par le cycle de combustion et de provoquer un allumage désordonné ou prématuré de la charge de mélange suivante. Toutefois, au bout d'un certain temps de fonctionnement du moteur, les faces des soupapes et, en particulier, des soupapes d'échappement et les régions supérieures de la chambre de combustion se couvrent progressivement de dépôts. Ces dépôts ne sont pas constitués en majeure partie de carbone comme le croient généralement les profanes. En effet, ces dépôts sont constitués en grande partie de matières contenant des halogénures et de l'oxyde de plomb et qui résultent de la combustion du plomb tétraéthyle et des agents de balayage incorporés dans les essences actuelles. L'oxyde de plomb a, lui même un point de fusion d'environ 888°C, comme le confirment les chercheurs spécialisés dans ce domaine. Or, la température de fonctionnement des soupapes (d'échappement) des moteurs ordinaires est inférieure à 888°C, de sorte que l'oxyde de plomb s'accumule et forme un dépôt sur les faces des soupapes d'échappement. Les températures de fonctionnement des soupapes d'échappement se situent généralement entre 590°C en roulant en ville et 650 à 760°C sur route. Les alliages à base de fer des soupapes agissent réellement comme des collecteurs des dépôts adhérents contenant de l'oxyde de plomb. Ainsi, après un temps de service relativement court, n'importe quel moteur à explosion peut présenter des allumages désordonnés provoqués par ces dépôts. Quand les moteurs sont conçus pour éviter la pollution de l'air, ceci peut poser un problème encore plus grave. En effet, pour éviter de polluer l'air, il est indispensable que la combustion soit complète. Ceci exige des rapports stoechiométriques précis de carburant et d'air. Il en résulte des mélanges pauvres qui conduisent à des températures de combustion élevées et à des soupapes chaudes. Or, les soupapes chaudes sont d'excellents accumulateurs de dépôts car à ces températures les matières contenant de l'oxyde de plomb ont réellement tendance à coller ou à se fixer aux aciers de soupapes à base de fer dans la 9 5 10 15 20 25 30 35 40 10368 2 2005924 plage des températures de fonctionnement des soupapes établies par une combustion complète du mélange. Compte tenu de ce qui précède, la présente invention a pour but : 1. De réaliser de nouvelles soupapes qui résistent à l'accumulation des dépôts susceptibles de provoquer des allumages désordonnés ou prématurés ou tout autre combustion que celle déclenchée par les bougies ; et, 2. De fournir un nouveau procédé pour réaliser des soupapes ayant les caractéristiques précédentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une représentation schématique d'une tête de soupape (d'échappement) de moteur à explosion portant un mince revêtement continu de nickel au moins, sur sa face et, le cas échéant, aussi sur sa bordure, la surface d'étanchéité et sur la face inférieure jusqu'au point où la tige de soupape entre dans son guide ; - la figure 2 est une représentation schématique analogue à la figure 1, du revêtement de nickel diffusé (par exemple, par chauffage ou par un traitement thermique dans l'alliage à base de fer sousjacent de la soupape); - la figure 3 est une représentation schématique dans laquelle la surface couverte de nickel de la soupape est ensuite recouverte d'une couche ou pellicule d'aluminium puis est soumise à un traitement thermique afin de produire une combinaison de nickel et d'aluminium présentant une grande dureté et une grande résistance à l'usure ; - la figure 4 est une coupe partielle dessinée à partir d'une photographie d'un échantillon métallurgique poli produit par la présente invention, L'exposé qui va suivre est destiné à mettre en lumière les aspects importants de l'invention dans lequel des soupapes en champignon (en particulier, des soupapes d'échappement) pour moteurs à explosion comportent des revêtements : 1. A bon marché n'impliquant aucun processus de soudage, ni aucune technique analogue ; et ayant : 2. Une épaisseur et une continuité suffisantes pour être nettement supérieurs aux revêtements "métallisés1' appliqués par pulvérisation selon la technique antérieure jet, 3. Qui sont, au moins, comparables et à certains égards éventuellement supérieurs à ceux produits par des compositions de revêtements classiques (par exemple, par la "Stellite", le nichrome et autre qui produisent les revêtements utilisables mais excessivement chers) en ce qui concerne leur faculté à supprimer les dépôts de produits corrosifs. Ces dépôts corrosifs 69 10368 3 2005924 comprennent des matières qui induisent des allumages désordonnés. Ainsi, les soupapes de la présente invention diminuent considérablement et, dans la plupart des cas, éliminent les allumages désordonnés qui s'attachent aux alliages de soupape à base de fer de la technique antérieure. 5 En se référant à la figure 1, on voit la tête 10 d'une soupape typique utilisée dans l'état actuel de la technique dans les moteurs à explosion pour véhicules automobiles. Sur cette tête de soupape 10 et, au moins, sur toute la face 12 de celle-ci, a été appliqué un revêtement de nickel 14. Dans le cadre de la présente description, ce revêtement de nickel 14 doit être consi-10 déré comme une couche de nickel électrolytique d'épaisseur indéfinie, mais continue, c'est-à-dire, exempte de lacunes, de piqûres ou de porosité . Les épaisseurs envisagées par l'invention sont, en général, de l'ordre d'environ 6 ^u à l'extrémité inférieure à environ 250 ^u à l'extrémité supérieure. Il est bien évident que cette gamme d'épaisseurs ne doit pas être considérée. 15 comme limitative pour la présente invention, mais constitue simplement une indication pratique des valeurs utilisées dans les moteurs actuels. Le point essentiel est que le revêtement de nickel 14 soit imperméable - donc continu-afin de protéger l'alliage sousjacent à base de fer 16 et d'empêcher les substances contenant de loxyde de plomb qui se développent pendant le fonctionne-20 ment du moteur d'adhérer. Il est à remarquer sur la figure 1 que la bordure 18 de la tête de soupape 10 est également couverte de nickel de même que la surface d'étanchéité 19 et la face inférieure 20 jusqu'à la zone 22 où la tige de soupape 24 s'engage dans le guide . Le plus grand avantage résulte de la présence du re-25 vêtement 14 sur la face 12 de la soupape, car des dépôts à cet endroit contribuent à un allumage désordonné. Toutefois, du point de vue économique, il est préférable, pour obtenir un revêtement continu sur la face 12, de plonger toute la tête de soupape 10 dans le bain de nickelage. Ainsi, la face 12 et les autres surfaces énumérées se couvrent simultanément d'une mince couche 30 imperméable 14 de nickel. La figure 2 représente la soupape finie, prête à fonctionner. On voit que le revêtement de nickel 14 a été diffusé dans l'alliage sousjacent à base de fer par un traitement thermique. Ceci est désigné par la référence 26. Ce traitement thermique peut être 35 effectué dans une atmosphère artificielle contrôlée avant de monter la soupape dans un moteur. Ce traitement de diffusion peut être effectué en plaçant la soupape revêtue "brute" dans un moteur et en l'exposant pendant une courte période de temps aux températures de fonctionnement réelles des soupapes. Ces températures produisent le degré nécessaire de diffusion mentionné ci-40 dessus. 10368 4 2005924 Les températures et les durées de cette diffusion thermique sont indiquées ci-dessous dans la description du procédé de l'invention. La partie diffusée 26 du revêtement de nickel est indiquée schématiquement sur la figure 4 qui est une coupe partielle agrandie dessinée à partir d'une photographie réelle d'un échantillon métallurgique poli produit selon la présente invention. Ainsi, une mince couche extérieure 14 de nickel électrolyti-que est liée au substrat 16 à base d'alliage de fer de la soupape. Entre la couche de nickel 14 et le substrat 6 se trouve une mince zone ou ligne de diffusion 28 dont la composition exacte n'est pas connue à l'heure actuelle, mais que l'on suppose être constituée par un alliage de fer et de nickel produit par le processus de diffusion thermique. Etant donné que l'acier de la soupape a une teneur élevée en chrome, une quantité appréciable de chrome peut également être présente dans cet alliage. Quoiqu'il en soit, cette mince couche diffusée 28 produit une liaison d'une ténacité surprenante entre la couche extérieure de nickel 14 et le substrat 16. Comparativement au revêtement de chrome qui pèle facilement, même à des températures ambiantes moyennement élevées, la présente invention apporte un revêtement de chrome qui ne montre aucun signe de détachement, même aux températures de fonctionnement élevées du moteur et ce, même après des périodes de temps prolongées. La figure III montre une couche de protection en aluminium. La découverte surprenante de la présente invention est qu'un alliage d'aluminium et de nickel correctement formé, constitue une matière très dure et très résistante à l'usure. En conséquence, il entre dans le cadre de l'invention d'appliquer un très mince revêtement d'aluminium, par exemple, par une opération de métallisation, au moins, sur la région d'étanchéité (A) figure 3. Ce revêtement peut s'étendre jusqu'à la bordure 18 et jusqu'à la face inférieure 20 de la tête de soupape 10. Toutefois, étant donné que l'on ne sait pas à l'heure actuelle l'effet que peut avoir l'aluminium sur le dépôt de nickel de cette face, en ce qui concerne ses propriétés anti-dépôt, il est préférable d'exclure l'aluminium de cette région. Cet alliage est produit par un traitement thermique, comme décrit ci-dessous. En conséquence, dans la portée étendue de la présente invention, une soupape dont la face présente des propriétés inattendues contre la formation de dépôts est produite avec des alliages très économiques à base de fer et comporte, en outre, une surface d'étanchéité cémentée et résistante à l'usure. Compte tenu du fait que les soupapes formées d'alliages à base de fer accumulent facilement des dépôts nuisibles contenant de l'oxyde de plomb aux températures de fonctionnement de 650 à 750°C, la présente invention représente un progrès technique certain. En effet, les alliages à base de fer pour soupape selon l'invention ont une résistance surprenante à la formation de dépôts nui 69 10368 5 2005924 sibles de matières contenant de l'oxyde de plomb. Le procédé de l'invention comprend un certain nombre d'étapes, qui sont dans l'ordre logique : Etape I - L'étape I du procédé consiste à produire une surface métallurgi-5 quement propre devant être nickelée. Ceci concerne, au moins, la face 12. Le nettoyage peut être effectué en enlevant les paillettes d'oxyde produites pendant le forgeage ou le recuit (traitement thermique) qui ont été utilisées pour produire la soupape semi-finie. Ce nettoyage peut être effectué par voie chimique ou mécanique, par exemple, par usinage, meulage, grenaillage, etc. 10 Le point essentiel est que la surface devant être nickelée soit métallurgique-ment propre. La surface d'étanchéité 19, peut, à ce moment, être rectifiée avant l'opération de nettoyage métallurgique afin de préserver son revêtement de nickel. Dans cet état, le dépôt de nickel est relativement tendre et facilement marqué 15 et ne tarderait probablement pas à s'user pendant le fonctionnement du moteur. En conséquence, la manière dont la surface d'étanchéité est traitée importe peu, que ce soit pour conserver ou non le revêtement de nickel à cet endroit. Etape II - La surface métallurgiquement propre est revêtue par exemple, par galvanoplastie d'une couche de nickel (de 6 à 250jU.). 20 Etape III - On lave la surface revêtue dans un agent de nettoyage approprié et on rectifie la tige à sa dimension finale. Ensuite, la soupape peut être huilée pour prévenir la corrosion, enveloppée et expédiée à un constructeur de moteurs. Facultatif : Le cas échéant, les soupapes peuvent, à ce point, être placées 25 dans un moteur et subir un traitement final en se fondant sur leur fonctionnement pour élever la température au niveau nécessaire pour la diffusion thermique et la liaison métallurgique du revêtement de nickel ou de la couche de protection au substratum de l'alliage de soupape à base de fer. Etape IV - Pour parachever la soupape, on diffuse par un traitement ther-30 mique la couche de nickel ou une partie sousjacente de celle-ci dans le substrat de l'alliage de soupape à base de fer. Ceci s'effectue en chauffant au moins la face de la soupape à une température de l'ordre d'environ 650 à 1200°C pendant un temps suffisant pour diffuser une partie, au moins, du revêtement de nickel dans l'alliage sousjacent à base de fer. Comme il a été mentionné, ceci 35 peut être accompli par 1'échauffement réel de la soupape fonctionnant dans un moteurs. Les temps réels nécessaires pour effectuer la diffusion thermique à la pression atmosphérique sont relativement larges, allant de quelques secondes à plusieurs heures, selon les températures. 40 La succession des étapes précédentes produit une soupape ayant des proprié tés surprenantes de résistance à la corrosion. Ceci signifie que la face de la 69 10368 2005924 soupape présente une grande résistance à l'accumulation de dépôts de matières contenant de l'oxyde de plomb qui sont produites par la combustion du carburant du moteur. Etant donné que ces produits de combustion n'adhèrent pas et ne s'accumulent pas sur la face des soupapes de l'invention, il ne se produit au-5 cune perturbation du processus de combustion produit par les étincelles et, aucun allumage désordonné, notamment, aucun allumage prématuré. Il en résulte de meilleures performances du moteur, une durée plus longue et un fonctionnement plus silencieux. En conséquence, un tel moteur produit moins de fumée. Ceci représente un progrès technique très considérable. 10 Etape V_ En plus de ce qui précède, on a trouvé qu'un mince revêtement d'aluminium, déposé par métallisation, sur le revêtement de nickel de la surface d'étanchéité 19 de la soupape apporte des avantages supplémentaires. Ainsi, le procédé peut, facultativement, inclure l'application, par des moyens appropriés, d'une mince couche de protection d'aluminium sur le nickel précédemment 15 déposé sur la surface d'étanchéité de la soupape et, éventuellement, sur la région marginale et sur la partie sousjacente de la tête de soupape. Ce qui précède n'a d'autre but que d'indiquer au lecteur l'orientation générale suivant laquelle les jets d'aluminium doivent être dirigés pour produire ce revêtement de protection d'aluminium dans des conditions économiques. Quand les couches de 20 nickel et d'aluminium sont exposées à des températures d'environ 650 à 1200°C pendant un cycle de chauffage approprié, il se produit le phénomène de cémentation ou de durcissement mentionné. Il est toutefois important que ce traitement thermique soit effectué avant de placer la soupape dans le moteur afin de produire l'alliage dur nickel-aluminium. 25 II entre dans le cadre de l'invention de ne pourvoir la face de la soupape que d'un revêtement de nickel; et ce, sans spécifier autrement qu'en termes généraux l'épaisseur de ce revêtement et le fait qu'il est imperméable comme le permettent les techniques de déposition actuelles. De plus, dans le cadre du présent mémoire descriptif, le revêtement exté-30 rieur de la surface d'étanchéité de la soupape a été limité à l'aluminium . A l'heure actuelle on ne sait pas si l'aluminium, sous la forme d'alliage, produirait le même effet de durcissement ou de cémentation. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 10368 7 2005924 REVENDICATIONS 1. Soupape pour un moteur à combustion interne alimenté par une essence contenant du plomb et qui est allumé par une étincelle provenant d'une bougie, soupape comprenant un substrat constitué par un alliage à base de fer et une tête comportant une face, une bordure et une surface d'étanchéité, caractérisée S" en ce que, au moins, cette face est couverte d'une mince pellicule continue riche en nickel, cette pellicule étant liée au moins partiellement audit substrat. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pellicule est diffusée dans ledit substrat par voie thermique. 3. Soupape selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface d'étanchéité comporte un revêtement de nickel au contact du substrat en alliage à base de fer et qui est couvert d'un revêtement d'aluminium, les revêtements de nickel et d'aluminium étant convertis en un alliage nickel-allumi-nium, le nickel diffusant, au moins, partiellement dans le substrat. 4. Soupape selon l'une quelconque des revendications1 à 3, caractérisée en ce que le substrat sousjacent, au moins, à la face de la soupape est pouvue d'une surface extérieure métallurgiquement propre sur laquelle est liée une couche continue de nickel. 5. Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bordure, •£0 la surface d'étanchéité et la surface inférieure de la tête comportent également des surfaces extérieures métallurgiquement propres sur chacune desquelles est liée une couche continue de nickel. 6. Procédé pour réaliser une soupape de moteur à explosion, caractérisé en ce qu'il consiste à former une soupape ayant un substrat en alliage à base 2-5"* de fer, avec une tête comportant une face, uae bordure et une surface d'étanchéité, cette face ayant une surface extérieure", à nettoyer ladite surface extérieure de ladite face afin de produire une surface extérieure métallurgiquement propre et à appliquer un revêtement continu de nickel sur cette surface extérieure . *3° 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on diffuse, en outre, le revêtement de nickel dans ladite surface métallurgiquement propre. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on procède, en outre, à une diffusion par voie thermique d'une partie du revêtement de nickel dans la surface métallurgiquement propre. "3T* 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 a 8, caractérisé en ce qu'on enlève les impuretés de la surface extérieure de la face et de la surface d'étanchéité afin de produire des surfaces extérieures métallurgiquement propres sur celles-ci, on applique un revêtement continu de nickel sur chacune des surfaces métallurgiquement propres, on applique un revêtement d'aluminium 1036b a 2005924 au-dessus du revêtement de nickel de la surface d'étanchéité et on convertit les revêtements de nickel et d'aluminium en un alliage et on diffuse le revêtement de nickel sousjacent dans les surfaces métallurgiquement propres. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on diffuse le revêtement de nickel à une certaine température et on convertit les revêtements de nickel et d'aluminium en un alliage à une autre température. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on convertit les revêtements d'aluminium et de nickel en un alliage aluminium-nickel par voie thermique. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on diffuse, au moins, une partie du revêtement de nickel de la face de la soupape par voie thermique dans la surface métallurgiquement propre de cette face.