Brevet FR2104662A1 — publié le 19720421

L'invention se réfère à un procédé de fabrication de segments de piston pour moteurs à combustion interne, machines à vapeur et compresseurs, en vue d'augmenter la durabilité des segments et d'améliorer les conditions de fonctionnement des moteurs, des machines à vapeur et des compresseurs. Les segments de piston sont fabriqués par enlèvement de copeaux à partir soit d'anneaux dont les dimensions sont voisines des dimensions finales, coulés individuellement en grappe, soit de douilles coulées par gravité ou centrifugation. Par le procédé de coulée individuelle, on fabrique des anneaux de segments en fonte grise perlitique, en fonte malléable alliée ayant une structure perlitique comprenant des carbures globulaires et en fonte au graphite sphéroidal alliée au silicium ayant une structure ferritique. A partir des douilles coulées par gravité ou centrifugation, on fabrique des segment s en fonte grise perlitique, en fonte perlitique alliée et en fonte au graphite sphéroïdal à structure perlitique non-alliée ou alliée, ou bien en fonte au graphite sphé roidal alliée au silicium à structure ferritique. Le procédé de coulée individuelle des anneaux de segments en fonte malléable alliée, à structure comprenant de la perlite et des carbures globulaires, présente des inconvénients liés à l'emploi d'une charge spéciale pour l'obtention d'une basse teneur en carbone et en silicium, à la longue durée (20 à 25 heures) du recuit à haute température (950 à 1000" C) et à la nécessiter d'empaqueter les anneaux pendant le recuit en vue d'éviter la décarburation, ou bien à la nécessité d'utiliser des fours à atmosphère contrôlée. Le procédé de coulée individuelle des segments en fonte au graphite sphé roidal alliée au silicium à structure ferritique présente l'inconvénient qu'une grande proportion d'anneaux coulés ont des défauts de coulée (soufflures, taches noires, microretassures), conséquences des caractéristiques de solidification de la fonte au graphite sphéroïdal et des réactions du magnésium avec l'humidité des moules. Le procédé selon l'invention, consistant dans la coulée individuelle en grappe d'anneaux de segments en fonte alliée au silicium et traitée à l'état liquide au bismuth, écarte l'inconvénient lié à l'apparition des défauts de solidification caractéristiques aux anneaux en fonte traitée au magnésium et les inconvénients découlant de la longue durée du traitement thermique et de la nécessité d'empaqueter les anneaux, comme c'est le cas pour les anneaux en fonte malléable alliée. Le procédé selon l'invention utilise une fonte élaborée aux fours à induction ou à arc électrique, alliée au silicium et traitée à l'état liquide au bismuth. La composition chimique de la fonte varie dans les limites: 2,6 à 3,0 % C 4,0 à 5,0 % Si 0,6 à 1,2 % Mn 0,2 à 0,7 % P au maximum 0,1 % S La matière première est constituée par de la fonte neuve, de la fonte neuve déclassée en raison d'une forte teneur en silicium, de la fonte vielle et des déchets d'acier, déchets d'acier au carbone, déchets d'acier siliceux et autres. La teneur en carbone est réglée en fonction de la teneur en silicium, c'est-à-dire que sa valeur diminue dans les limites de 3 à 2,6 % lorsque la teneur en silicium augmente dans les limites de 4 à 5 %. Après la fusion et l'alliage, la fonte est surchauffée entre 1450 et 15500 C pendant 10 à 60 mn. La fonte liquide à une température de 1400-1500 C est traitée au bismuth métallique dans la poche de coulée en proportion de 0,01 à 0,1 %, en ajoutant le bismuth lors du remplissage de la poche de coulée. La température de coulée de la fonte est de 1350 à 1450 C. La coulée est exécutée par le procédé individuel en grappe dans des moules à vert constitués de différents mélanges de sables utilisés couramment dans la coulée d'anneaux de segments. Les modèles sont identiques à ceux utilisés pour les anneaux de segments circulaires ou ovales en fonte grise. La microstructure des anneaux coulés comprend de la cémentite, de la perlite, de la ledeburite et de l'eutectique phosphoreux. Les anneaux coulés après ébarbage et élimination des irrégularités de surface sont montés sur des dispositifs qui assurent la position horizontale des segments, l'un sur l'autre, et qui empêchent, par une légère pression des anneaux, leur déformation au cours du traitement thermique. Le traitement thermique des anneaux de segments s'effectue par recuit en tre 700 et 9000 C pendant 1 à 5 heures dans un four électrique ou dans un four à combustible gazeux ou liquide, dans l'atmosphère du four sans mesure de protection contre la décarburation. Le refroidissement a lieu au four jusqu'à 650-7000 C et puisà l'air libre. Ensuite, les segments sont fabriqués, soit à profil oval, soit à profil circulaire, par des opérations spécifiques d'usinage. Dans le cas des segments circulaires, l'écartement de la fente s'obtient par traitement thermique dans les conditions suivantes : recuit entre 700 et 720" C,pendant une heure, suivi d'un refroidissement à l'huile. Caractéristiques finales des segments - Microstructure : graphite de recuit, cristaux de solution solide Fe OC -Si et îles d'eutectique phosphoreux. - Résistance de rupture à la traction : 45-65 kgf/mm2 - Allongement : moins de 1 %. - Dureté : 240-270 Brinell. - Module d'élasticité : 18.000 kgf/mm2 - Résistance à l'usure : environ deux fois supérieure à elle de la fonte grise perlitique. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après EXEMPLE : fabrication de segment s de tracteur en fonte élaborée au four acide à induction. Matière première : fonte neuve correspondant à l'analyse suivante :3,6 % C; 2,25 % Si; 0,8 % Mn; 0,25 % P; 0,03 % S. Laitier : sable quartzeux. Après la fusion et l'alliage, la fonte est surchauffée pendant 30 min. à 1500 C. Composition chimique finale de la fonte : 2,8 % C; 4,6 % Si; 0,98 % Mn; 0,50 % P; 0,025 % S. Traitement : 0,05 % Bi ajouté dans la poche de coulée pendant le remplissage. Température de coulée : 1450 C. Enlèvement des masselottes, ébarbage et élimination des irrégularités de surface, ainsi que montage sur des dispositifs de recuit. Traitement de recuit : 8500 C pendant trois heures au four électrique; refroidissement au four jusqu'à 6500C puis à l'air libre. Usinage des segments : par opérations spécifiquesd'enlèvement de copeaux. Dans le cas de la fabrication de segments à profil circulaire en vue de réaliser aes valeurs couramment prescrites pour la force élastique des segments, l'écartement de 1a fente est de 11 mm L'écartement de la fente est réalisé par le recuit des segments montés sur des dispositifs entre 700 et 7200 C, pendant une heure et par refroidis se- ment ultérieur à l'huile. Dans le cas d'un usinage ovale à came spécifique aux segments en fonte grise, donc à un écartement de fente de 15 mm environ, la force élastique diamétrale atteint une valeur d'environ 10.000 g. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention conporte les avantages sui vante - l'augmentation de la durabilité des segments par suite de la haute résistance à l'usure de la solution solide Fie ou -Si; - l'augmentation de la force élastique des segments jusqu'à une valeur atteignant environ deux fois celle des segments habituels pour un écartement de fente égal; - l'obtention de segments sans tensions internes, stables du point de vue structural et en ce qui concerne les valeurs des propriétés physiques et mécaniques jusqu'à 650" C. - l'amélioration du fonctionnement des moteurs, des machines à vapeur et des compresseurs par l'augmentation de l'étanchéité du système piston-segmentchemise de cylindre, et - la diminution de la consommation d'huile dans les moteurs à combusion interne. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de segments de piston, caractérisé en ce que les anneaux de segments sont coulés en grappe, individuellement, en fonte alliée renfermant 4,0 à 5,0 % de silicium, 0,6 à 1,2 % de manganèse et 0,2 à 0,7 % de phosphore, traitée à l'état liquide au bismuth, ayant une structure brute de coulée composée de cémentite, de perlite, de ledeburite et d'eutectique phosphoreux. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les anneaux sont recuits entre 700 et 900" C pendant 1 à 5 heures, refroidis au four entre 650 et 700" C puis en plein air, la structure finale des anneaux et des segments consistant de cristaux de solution solide Fe~r-Si, de graphite de recuit et d'îles d'eutectique phosphoreux. 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans le cas de segments usinés ayant un profil circulaire, le traitement pour l'écar- tement de la fente est effectué entre 700 et 720 C pendant une heure suivi d'un refroidissement à lthuile.