Brevet FR2177715A1 — publié le 19731109

La présente invention se rapporte à une pièce métallique verrouillée ou liée mécaniquement à un matériau de base d'aluminium et, plus particulièrement, à un composé métallique fabriqué à partir d'une plaque de fer verrouillée ou liée mécaniquement avec un matériau à base d'aluminium formant un revêtement ou une couche superficielle qui est plus dure et/ou plus résistante à 1' usure, au choc et/ou aux températures élevées, ou a d'autres caractéristiques requises ou désirables qui font défaut à la plaque de fer. Jusqu'ici, plusieurs procédés ont été mis en pratique pour la liaison ou le verrouillage mécanique de la plaque de base, qui est fabriquée en acier ordinaire ou en acier spécial, avec un matériau à base d'aluminium comprenant l'aluminium pur et ses alliages. Un de ces procédés de liaison ou de verrouillage est connu sous le nom de procédé 'tAl-Fin" selon lequel le verrouillage se fait en présence d'un composé intermétallique de nature chimique. Dans le cadre de l'industrie automobile, ce procédé "Al-Fin" est utilisé avec satisfaction pour la fabrication d'une chemise ou d'un revetement intérieur de cylindre de moteur ou de tambour de frein en raison du solide verrouillage obtenu en présence du composé intermétallique entre un métal de base contenant du fer comme composant essentiel et un revetement ou matériau coulé en coquille à base d'aluminium.Cependant, ce procédé nécessite des précautions pour obtenir un verrouillage satisfaisant entre le matériau fondu à base d'aluminium et le métal de base de telle manière que le métal de base doit subir un pré-traitement relativement complique. De plus, le composé intermétallique assurant la jonction entre le revêtement d'aluminium et le métal de base est relativement tellement fragile que la possibilité d'assemblage est également faible dans une mesure telle qu'il y a quelques problèmes dans le cadre de l'utilisation pratique. Un deuxième procédé classique de verrouillage connu sous la désignation de procédé de "transplantation" fait l'objet du brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.084.424, en date du 2 avril 1963. Selon ce procédé, le métal de base formé par la technique de pulvérisation du métal est verrouillé mécaniquement avec un revAe tement ou un matériau à base d'aluminium par moulage mécanique en coquille.Ce procédé de transplantation donne une possibilité ou capacité d'assemblage supérieure à celle du procédé "Al-Fin indiqué précédemment par suite du fait que la surface du métal de base auquel est joint le revêtement ou matériau à base d'aluminium est rendue rugueuse pendant le procédé de pulvérisation de métal, formant ainsi de nombreux interstices dans lesquels pénètre le revêtement ou matériau à base d'aluminium en fusion. Cependant, même dans ce procédé,de très grandes précautions doivent être prises car sinon une quantité relativement importante d'oxydes se trouvera incluse dans le métal de base au fur et à mesure qu'ils apparaissent pendant la formation de la base de métal par pulvérisation.En conséquence, le composé métallique fabriqué suivant ce procédé sans que des précautions aient été prise en considération, a, en général, une dureté rélativement élevée, mais des propriétés mécaniques relativement basses, ce qui a pour effet d'en réduire 'usinabilité, et la conductibilité thermique est insuffisante. Un troisième précédé classique de verrouillage ou de liaison est celui dans lequel le métal de base ayant une surface présentant tout une série de saillies sensiblement à angle droit et formées par meulage, rainurage ou filetage, la partie supérieure de chacune desdites saillies est ensuite aplatie par laminage ou travail à la presse pour donner des oreilles ou pattes se prolongeant sensiblement latéralement, pour être verrouillée-s mécaniquement avec le matériau à base d'aluminium par moulage mécanique en coquille ou coulée.Selon ce procédé, le matériau à base d'aluminium, pendant le moulage en coquille ou- la coulée, pénètre dans les interstices de forme compliquée qui sont définis à la-surface du métal de base, les saillies et les oreilles et, par conséquent, un verrouillage relativement solide peut être obtenu entre le métal de base et le revêtement ou matériau à base d'aluminium. Cependant, le nombre de saillies formées dans le métal de base est limité dans la pratique, les saillies ayant chacune des faces latérales lisses et orientées dans les mêmes directions, et, par conséquent, la capacité-d'assemblage et la conductibilité thermique restent en question à moins qu'un autre assemblage chimique soit effectué par exemple par l'intermédiaire d'un brasage au cuivre ou d'un cuivrage.Dans un cas comme dans l'autre, ce procédé augmente le nombre de stades de fabrication au-delà de ce qui avait été fait jusqu'ici avec les autres procédés. Un quatrième procédé classique de verrouillage est celui dans lequel le métal de base ayant une surface formée avec un grand nombre de filets sensiblement carrés, les faces latérales et la face supérieure desquels sont rendues rugueuses par du verre pulvérisé et du graphite adhérant à l'empreinte du moule, le métal de base est verrouillé avec le revêtement ou le matériau à base d'aluminium par moulage en coquille. Dans ce procédé, avant le moulage en coquille, non seulement il faut préparer un moule à utiliser pour la production du métal de base avec les filets carrés, mais il faut aussi éliminer toute trace de verre pulvérisé et de graphite de l'empreinte du moule.De plus, la possibilité d' assem- blage qui peut être obtenue selon ce procédé est relativement faible et, en raison du fait qu'il n'y a pas d'assemblage chimique entre le métal de base et le revetement ou le matériau à base d'aluminium, la surface de contact entre eux est si faible que la conductibilité thermique est insuffisante de telle sorte que le composé métallique produit par ce procédé ne peut être utilisé de manière satisfaisante pour des pièces de moteur à combustion interne, lesquelles pièces sont souvent soumises à la contrainte thermique et à des contraintes mécaniques. Dans tous les cas, le composé métallique produit suivant un des procédés classiques mis en pratique présente une série d' inconvénients et, par conséquent, la présente invention a en vue d'éliminer ces inconvénients. Un objet essentiel de la présente invention est de prévoir un composé métallique perfectionné, fabriqué à partir d'une plaque de fer et d'un revetement ou d'un matériau à base d'aluminium lié ou verrouillé mécaniquement avec ladite plaque de fer avec ou sans utilisation de la technique de brasage, et qui forme un revêtement superficiel à liaison ou verrouillage permanent qui est plus dur et/ou plus résistant à l'usure, au choc et/ou aux températures élevées, ou à d'autres caractéristiques requises ou désirables qui font défaut à la plaque de fer. Un autre objet important de la présente invention est de fournir un composé métallique perfectionné correspondant à ce qui précède, et qui peut être facilement manufacturé sans qutil soit besoin de stades de fabrication compliqués. Selon la présente invention, au cours de la fabrication du composé métallique, la plaque de fer est traitée de manière à présenter un grand nombre d'aiguillons de largeur et de hauteur appropriées sur une surface de la plaque de fer sur laquelle le revêtement d'aluminium est lié de manière permanente par moulage en coquille.Pour obtenir les résultats optima, le nombre d'aiguilles par unité de surface de la plaque de fer est élevé, de préférence, tandis que chacune desdites aiguilles a un volume propre et est formée avec un grand nombre de défectuosités sur toutes les faces, de manière à augmenter sensiblement la surface de contact où la plaque de fer et le revêtement d'aluminium doivent être verrouillés l'un par rapport à l'autre au cours du moulage en coquille suivant, L'accroissement de la surface de contact, en fait, améliore la conductibilité thermique entre ladite plaque de fer-et le revêtement d'aluminium, ainsi que leur capacité de liaison ou de verrouillage. Les aiguilles formées sur la plaque de fer peuvent être disposées selon toute manière souhaitable ou désirée. Par exemple, les aiguilles s'étendent habituellement suivant un certain angle par rappprt au plan de la plaque de fer ou de la plaque de base pour autant que cette dernière est fabriquée en acier ou en tout autre matériau contenant du fer comme composant essentiel ; ces aiguilles peuvent être disposées en un grand nombre de groupes en fonction des dimensions du composé métallique obtenu qui doit être utilisé dans un but particulier. Dans ce cas, il est conseillé d'orienter les aiguilles d'un groupe dans une direction tandis que les aiguilles du groupe adjacent sont orientées dans une direction opposée, tandis que chacun des groupes adjacents est convextlementespacélbadel'aube. Bien que la capacité suffisante de liaison ou verrouillage ainsi que la conductibilité thermique peuvent être obtenues sans qu'il soit besoin de traitement supplémentaire comme le brasage ou le placage à effectuer à la limite entre la plaque de base et le revêtement d'aluminium, le brasage ou le placage peuvent être effectués dans le cas où la capacité d'assemblage et la conductibilité thermique supérieures à celles qu'on obtient sans effectuer de brasage ni le placage, sont désirées. De plus, selon la présente invention, il est prévu un procédé de fabrication du composé métallique indiqué ci-dessus. Ces objets et caractéristiques de la présente invention ainsi que d'autres seront exposés dans la description suivante, faite en liaison avec une forme préférée de réalisation de la présente invention, en se référant aux dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est une représentation schématique en plan vue de haut d'une partie de la plaque de base présentant une disposition des aiguilles formées selon la présente invention. La figure 2 est une vue schématique latérale montrant la manière suivant laquelle les aiguilles sont formées sur la plaque de base. La figure 3 est une vue schématique latérale, à grande échelle, montrant la forme de chacune des aiguilles. La figure 4 est une micro-photographie, agrandie 58 fois, montrant une partie de la limite d'assemblage entre la plaque de base et le revêtement en aluminium selon la présente invention. La figure 5 est une micro-photographie, agrandie 400 fois, d'une partie de la limite de la liaison prise sur la microphotographie de la figure 4 ; et La figure 6 est une vue schématique en coupe d'un assemblage par moulage en coquille qui peut être utilisé pour produire le composé métallique selon la présente invention. Avant de procéder à la description de la présente invention, il convient de noter que le terme "défectuosités", tel qu'il est utilisé ici et dans les revendications ci-jointes, doit être entendu comme comprenant les rides, crevasses, éclaboussures ou autres traces de rugosité, soit formées naturellement lors de la formation des aiguilles, soit formées artificiellement par un usinage approprié après ou avant que les aiguilles aient été formées sur la plaque de base. En se référant aux dessins ci-joints, en particulier, aux figures 1 à 5, une plaque de base 1, fabriquée en acier ou en tout autre matériau métallique contenant du fer comme composant essentiel, est présentée avec plusieurs aiguilles 2 disposées en deux rangées dans le sens de la longueur de ladite plaque 1, les aiguilles 2 d'une rangée étant orientées dans une direction tandis que les aiguilles 2 de l'autre rangée sont orientées dans la direction opposée. Ces deux rangées d'aiguilles 2 sur la plaque de base 1 sont décalées l'une par rapport à l'autre de telle manière que chacune des aiguilles 2 d'une rangée se situe sur une ligne passant sensiblement entre les deux aiguilles adjacentes 2 de l'autre rangée ainsi qu'il est clairement indiqué sur les figures 1 et 3. Les aiguilles 2 doivent avoir chacune une configuration particulière suffisante pour remplir les impératifs suivants pour obtenir les résultats optima ; le nombre d'aiguilles 2 par unité de surface de la plaque de base 1 doit être relativement élevé, chacune de ces aiguilles 2 ayant un volume propre. De plus, les défectuosités, ainsi qu'il est indiqué plus loin, devant être formées sur au moins une face de chacune des aiguilles 2 doivent être con sidérables tandis que les aiguilles 2 ont, de préférence, des orientations différentes par rapport au plan de la plaque de base 1. Si le nombre d'aiguilles 2 par unité de surface, est augmenté, la surface de contact entre la plaque de base 1 et un revêtement 3 d'aluminium assemblé ou lié par la suite augmente de la même manière, et par conséquent non seulement la conductibilité thermique du composé métallique qui en résulte peut être améliorée, mais aussi la capacité d'assemblage entre la plaque de base 1 et le revêtement en aluminium 3 se trouve améliorée. Le volume de chacune des aiguilles 2 doit être tel que la capacité thermique de 1' aiguille est faible.Cet impératif a une importance relativement grande en raison du fait que le matériau en fusion à base d'aluminium contenant de l'aluminium ou un ou plusieurs de ces alliages doit avoir, au cours du moulage en coquille, la possibilité de pénétrer dans les interstices 4 formés par les défectuosités 5 sur la face de chacune des aiguilles 2, sans qu'il soit solidifié sous l'effet de l'échange de chaleur avant qu'il ait pénétré suffisamment à l'intérieur desdits interstices. La prévision des défectuosités 5 sur au moins une face 2a de chacune des aiguilles contribue non seulement à augmenter la capacité de liaison ou d'assemblage, mais aussi à accrottre la surface de contact, entre la plaque de base 1 et le revêtement en aluminium 3. De plus, si les aiguilles 2 sont formées suivant des orientations différentes par rapport au plan de la plaque de base 1, la capacité d'assemblage peut encore être améliorée par rapport à celle qui est fournie par les aiguilles ayant la meAme orientation. On trouvera dans ce qui suit une manière de former les aiguilles 2 sur la plaque de base 1, en se référant à la figure 2. Les aiguilles 2 sur la plaque de base 1 sont simplement formées en utilisant un ciseau mobile alternatif 10 dont le tranchant 10a a une largeur appropriée. I1 est évident que, si le ciseau 10 est actionné de manière alternative tandis que la plaque 1 est déplacée ou transférée de manière intermittente dans le sens de la longueur, comme indiqué par la flèche X, une rangée d'aiguilles 2 peut être aisément formée.De préférence, le tranchant 10a du ciseau 10 a un certain angle O choisi de telle sorte que, lorsque le ciseau 10 est amené sur la plaque de base 1 provoquant ainsi le soulèvement de la pellicule superficielle de ladite plaque l-ce qui a pour effet de former chaque aiguille 2, les défectuosités sont formées, ainsi qu'on le voit clairement sur les micro-photographies des figures 4 et 5, sur une des faces opposées 2a de chaque aiguille 2 qui n'a pas été mise en contact avec le ciseau 10, tandis que l'aiguille 2 elle-même s'étend suivant un certain angle par rapport au plan de la plaque de base 1. Pour améliorer la résistance à la force de cisaillement qui agit pour faire glisser la plaque de base 1 et le revêtement d'aluminium 3 l'une par rapport à l'autre, si la plaque de base 1 a une épaisseur de 2 mm, la somme de l'épaisseur "a" au pied de chaque aiguille 2 et de l'intervalle "c" entre les deux aiguilles adjacentes, à laquelle on peut se référer comme étant le pas "P", est de préférence dans une gamme comprise entre 0,5 et 2 mm, tandis que la hauteur "h" de chaque aiguille 2 est dans une gamme comprise entre 0,5 et 3 mm. De manière préférentielle, le rapport entre l'intervalle "c" et l'épaisseur "a't, c'est-à-dire c/a, est sensiblement égal à > ou plus petit que 2 et le rapport entre la hauteur "h" et l'épaisseur "a", c'est-à-dire h/a, est sensiblement égal à, ou inférieur à 5. Le composé métallique peut être manufacturé en utilisant la plaque de base 1 présentant à sa surface les aiguilles 2 formées selon le procédé indiqué ci-dessus, ladite plaque 1 étant ensuite liée ou verrouillée avec le revêtement d'aluminium 3 par moulage en coquille dont on trouvera ci-dessous la description se référant à la figure 6. La figure 6 illustre schématiquement l'ensemble de moulage en coquille destiné à être utilisé pour la production d'un cylindre de moteur à combustion interne. La plaque de base ayant à sa surface les aiguilles 2 est représentée telle qu'elle est formée dans un manchon cylindrique 20 monté sur un mandrin 21 de moulage en coquille. La formation du manchon cylindrique 20 peut être faite par bordage de la plaque de base 1 et en joignant ensuite les extrémités opposées de ladite plaque 1. L'ensemble de moulage en coquille comprend, en plus du mandrin 21, une paire de matrices fixe et mobile 22 et 23 comportant des empreintes de moulage respectives 22a et 23a qui définissent une cavité de moulage 24. Le matériau en fusion à base d'aluminium, qui constitue le revêtement en aluminium 3 après solidification, est envoyé sous pression dans la cavité de moulage 24 par un passage 25 pratiqué généralement dans la matrice fixe 22. La pression du matériau en fusion à base d'aluminium doit être suffisamment élevée pour lui permettre de pénétrer dans les interstices 4 formés par les aiguilles 2 et aussi dans les interstices définis par les défectuosités 5 sur la face 2a de chacune des aiguilles 2. On trouvera dans ce qui suit une illustration de la présente invention à l'aide d'un exemple. EXEMPLE Le cylindre de moteur à combustion interne a été fabriqué suivant le procédé décrit plus haut et indiqué à la figure 6. Au cours de cette fabrication, on a utilisé une plaque métallique en acier laminé à froid (SPCC) de 1,5 mm d'épaisseur pour la production d'un manchon cylindrique 20. La plaque métallique a été formée avec des aiguilles disposées suivant la manière indiquée à la figure 1 et chacune des aiguilles possède les caractéristiques suivantes Pas (= a + c) 0,75 mm Hauteur (= h) 1,20 mm Epaisseur (= a) 0,45 mm Largeur (= b) 2,50 mm Les détails de chacune des aiguilles ainsi formées sont représentés sur la micro-photographie de la figure 4, et la manière de former ces aiguilles est décrite ci-dessus en référence à la figure 2. Le manchon ou chemise de cylindre de moteur 20 ainsi formé est revêtu par moulage en coquille d'un alliage d'aluminium selon la spécification de AC4D conformément à la norme industrielle japonaise qui est l'équivalent de ALCOA 355 ou SAE 333 > pour former ainsi le cylindre de moteur 20. Une fois que le cylindre de moteur 20 a été retiré de l'ensemble de moulage en coquille et est totalement refroidi, une pièce expérimentale, de 10 mm de longueur, 5 mm de largeur et 50 mm d'épaisseur comprenant l'épaisseur (1,5 mm) de la plaque métallique, a été préparée à partir du cylindre fini du moteur pour une mesure de la capacité de liaison ou verrouillage entre la plaque métallique (c'est-à-dire la chemise du cylindre du moteur) et le revêtement d'alliage d'aluminium exprimée sous forme de résistance au cisaillement. La mesure de résistance au cisaillement a été faite en appliquant une charge sur le revêtement en alliage d'aluminium dans le sens longitudinal tandis que la plaque métallique a été maintenue fixe. A la suite de cette mesure, il a été trouvé que le glissement relatif entre la plaque métallique et le revêtement en alliage d'aluminium verrouillés l'une par rapport à l'autre, conformément aux enseignements de la présente invention, avait lieu quand la charge atteignait 11,6 kg/mm2. Cette valeur est en fait, approximativement, deux fois la résistance au cisaillement fournie par le quatrième des procédés classiques de liaison ou verrouillage mis en oeuvre dans la pratique, et qui est cité ci-dessus, et a dépassé avec succès le seuil des 10 kg/mm2 qui peut difficilement être obtenu avec le procédé classique de transplantation ou les autres procédés classiques. Compte tenu de ce qui précède, le cylindre de moteur ainsi fabriqué, présente d'excellentes performances en raison de la résistance élevée au cisaillement indiquée ci-dessus et qui est gé- néralement impérative pour des pinces de moteur telles que les cylindres. La ps.senFe invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront a' l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Composés métalliques coulés comprenant une plaque d'acier formée selon une configuration particulière, et un matériau à base d'aluminium lié ou verrouillé de façon permanente à la plaque d'acier sur au moins une de ses faces opposées, composés caractérisés en ce que la surface de la plaque d'acier comporte une pluralité de dents dont l'épaisseur, la largeur et la hauteur, sont appropriées pour prévoir des interstices primaires, chacune de ces dents stélevant au-dessus de la surface de la plaque d'acier en lu étant solidaire, et présentant au moins une face avec un certain nombre de åéfectuosités issues de la formation Qes dents, e assurant des interstices son siblement irréguliers, le matériau à base d'aluminium pénétrant dans les les interstices primaires t Irréguliers, grâce à quoi une ferme liaison de verrouillage est assurée entre la plaque d'acier et le matériau & - à base base d'aluminium. 2 - Composés métalliques coulés selon la revendication 1, caractérisés en ce que chacune des dents est inclinée par rapport à la plaque d'acier. 3 - Composés métalliques coulés selon la revendication 1, caractérisés en ce que les dents sont agencées selon au moins deux rangées, des dents le la première rangée étant inclinées dans un sens par rapportà la plaque d'acier, tandis que des dents de l'autre rangée sont inclinées dans-un sens différent. 4 - Composés métalliques coulés selon la revendication 3, caractérisés en cé que les deux rangées de dents sont espacées l'une de l'autre. 5 - Composés métalliques coulés selon la revendication 1J caractérisés en ce que es dents sont formées par utilisation a' un ciseau ayant un tranchant dont la largeur correspond à la largeur de chacune des dents, par l'application de forces extérieures successives à l'extrémité du ciseau opposée au tranchant, tandis que la plaque d' acier est déplace de façon intermittente, les défectuosités apparaissant principalement sur la face de chacune des dents opposée à la face qui est en contact avec le tranchant du ciseau. 5 - Composés métalliques coulés selon- la revendication 5 > caractérisés en ce que le ciseau est amené suivant un certain ar..e sur la surface de la plaque d'acier. 7 - Composés métalliques coulés selon la revendication 1, caractérisés en ce que le verrouillage entre la plaque d'acier et le matériau à base d'aluminium est obtenu au moyen d'une coulée en coquille. 8 - Composés métalliques coulés selon la revendication 1, caractérisés en ce que chacune des dents est inclinée par rapport à la plaque d'acier, le rapport existant entre l'épaisseur de chaque dent à sa base et l'intervalle séparant deux dents adjacentes étant inférieur à 2, et en ce que le rapport de l'épaisseur à la hauteur de chacune des dents est inférieur à 5. 9 - Procédé de fabrication d'un composé métallique coulé comprenant une plaque d'acier et un matériau à base d'aluminium lié et verrouillé à la plaque d'acier, caractérisé en ce qu'il comprend une phase de formation d'une pluralité de dents sur au moins une des faces opposées de la plaque d'acier, par élévation de la surface de cette plaque d'acier, les dents assurant des interstices primaires dont chacun s'étend depuis la surface de la plaque d'acier et a au moins une face comportant un certain nombre de défectuosités issues de l'opération de formation des dents, ces défectuosités fournissant des interstices sensiblement irréguliers, et en ce qu'il comporte une phase de coulée par versement du matériau à base d'aluminium à l'état fondu sur la surface de la plaque d'acier, de telle manière que le matériau fondu à base d'aluminium pénètre à l'intérieur des interstices primaires et irréguliers, grace à quoi on obtient une ferme liaison par verrouillage entre la plaque d'acier et le matériau à base d'aluminium lors de la solidification de ce dernier. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une phase de formation de la plaque d'acier selon une configuration particulière, préalablement à la phase de coulée par versement du matériau à base d'aluminium. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la phase de formation de la plaque d'acier selon une configuration particulière comporte une étape de bouclage de la plaque d'acier, et une étape de jonction des extrémités opposées de cette plaque d'acier après l'étape de bouclage. 12 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première phase mentionnée est effectuée en amenant un ciseau ayant un tranchant dont la largeur correspond à la largeur de chacune des dents sur la surface de la plaque d'acier, tandis que cette plaque d' acier est déplacée de façon intermittente et selon un angle prédéterminé par rapport au sens de déplacement du ciseau. 13 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la phase indiquée en second est effectuée au moyen d'une coulée en coquille. 14 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dents sont agencées selon au moins deux rangées, les dents d'une des rangées étant inclinées dans un sens par rapport à la direction longitudinale de la plaque d'acier, tandis que les dents de l'autre rangée sont inclinées dans un sens différent. 15 - Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deux rangées de dents sont espacées l'une de l'autre.