Brevet FR2395394A1 — publié le 19790119

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une soupape soudée utilisée dans des moteurs et en particulier dans les moteurs de véhicule. Suivant la technique connue une partie de tête en forme de champignon d'une soupape de moteur utilisée dans les véhicules est exposée à des températures elevées comprises entre 400 et 600 C du côté de l'entrée des gaz et entre 700 et 900 du côté de ltéchappement, et en particulier la partie de tête de soupape doit avoir des résistances suffisantes à l'usure et la chaleur provoquée par lTenfonc.ement et la rotation de la soupape qui se produisent à tout moment pendant le fonctionnement du moteur, et pour cette raison on utilise surtout de l'acier résistant à la chaleur pour conférer à la soupape la dureté désirée après un traitement de durcissement et de recuit.Si la soupape est utilisée dans un moteur qui est soumis à des conditions particulièrement sévères, on applique,sur la partie de tête de soupape afin d'améliorer ses propriétés physiques,des alliages "Stellite" constitués d'acier, de cobalt, de chrome et de tungstène, vendus par l'Union Carbide Corporation ou des alliages de nickel et de chrome. Comme la soupape s'ouvre et se ferme de façon fréquente l'extrémité de la tige de soupape peut venir en contact de l'extrémité d'une vis de reglage à balancier ou de l'extrémité d'un poussoir qui est durci par trempage, à une fréquence égale à la moitié de celle de la rotation du moteur, de telle sorte que des phénomènes compliqués de formation de crevasses ainsi que des phénomènes d'usure dus à un contact en un point ou à un contact linéaire apparaissent parfois sur le mécanisme du moteur utilise.L'extrémité de tige de la soupape est durcie pour cette raison à un niveau au moins supérieur à HCR 50par cuisson aux ultra -sons par cuisson à la flamme ou par application de perles métalliques de "Stellite". Parmi les substances utilisées dans les soupapes soudées on peut citer les aciers martensitique tels que SUH3 (S:035 ; Cr : 12,0 ; Mo : 1,0 ; Si : 2,0) et SUHI1 (C : 0,45 Cr : 8,0 ; Si : 1,5), qui ont toutefois une résistance à l'usure faible. De nos jours dans le cas des moteurs à haute performance on a l'habitude d'appliquer des perles de "Stellite" sur les têtes de soupape et sur leur partie d'extre- mité. Toutefois l'application de perles de "Stellite"à l'extré- mité' - des tiges exige une grande habileté de la part des manipulateurs et se traduit par un prix de revient élevé du fait de ia formation de trous d'aiguillas et du trai'tement ultérieur nécessaire.Ceci rend difficile l'automatisation du procédé dans sa totalité pour une production à grande échelle. La présente invention a pour but essentiel de remédier aux inconvénients suscités que l1on rencontre dans les soupapes soudées de la technique antérieure. L'invention a encore pour but de fournir un procédé amélioré et original de fabrication dtune soupape soudée dont le procédé est très simple'- le prix de revient faible et bien adapté à la production à grande échelle et dans laquelle la partie de tige de la soupape est constituée de nouvelles substances résistantes à l'usure mises au point par les inventeurs et qui présentent une grande résistance à l'usure partiquement égale à celle des parties de tige des soupapes de l'art antérieur munies de perles de Stellite. Conformément à la présente invention on fournit un procédé de fabrication d'une souppe soudés dans lequel une partie de tête en forme de champignon constituée d'acier austénitique résistant à la chaleur et d'une partie de tige constituée d'acier martinsitique sont soudées l'une sur l'autre, ce procédé étant caractérisé par les étapes de formation de la partie de tige à partir d'un acier à haute résistance à l'usure ayant une dureté non inférieure à Hv 500 dans la gamme de température allant de la température ambiante à 3000 C, cet acier résistant à l'usure contenant du carbure composite tel que M6C, MC ou MTC6 à raison de plus de 10 % en volume à l'état cuit, de soudage de la partie de tige sur une tige constituée d'acier austénitiqua résistant à la chaleur, de forgeagè de la tige par refoulage suivant une configuration en forme de champignon, d'usinage et de moulage, de cuisson de la partie de tige, et de durcissement de la partie de tige par frappage en opérant en présence de l'austénite reldsel pour accroître sa résistance à D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description détaillée qui suit et qui est donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une forme préférez d'une soupape soudée pour véhicule fabriquée conformément au procédé de la présente invention. La figure 2 représente une forme typique d'une soupape soudée pour automobile fabriquée conformément au procédé de l'art antérieur à titre de comparaison avec la soupape représentée sur la figure 1 ; et la figure 3 représente une autre forme préférée de soupape soudée d'automobile fabriquée conformément au procédé de la présente invention. Le procédé de fabrication d'une soupape soudée conformément à la présente invention est effectuée de plusieurs façons comme le montrent les exemples suivants. Procédés de production Exemple 1 (découpages de barres) - (soudage par frottement des barres découpées) - (mise en forme de la ête de soupape) - (élimination des déformations et trempe ) (usinage) - (meulage) - (cuisson ultrasonique) - (finition ). Exemple 2 -(découpage des barres) - (soudage par frottement des barres découpées) - (mise en forme de la partie de tette de soupape) - (élimination des déformations et trempe ) - (usinage) - (meulage) - (cuisson ultrasonique) - (nitruration) - (finition ) Exemple 3 (découpage des barres) - pour la même disposition (soudage par frottement des barres découpées) (mise en forme de tête de soupape) - (vieillissement en solution) - (usinage) - (meulage) - (cuisson ultrasonique) (finission). Exemple 4 (découpage des barres) - (soudage par frottements des barres découpées) - (mise en forme de la tête de soupape) - (vieillissement en solution) - (usinage) (meulage) - (cuisson ultrasonique) - (nitruration) - (finition) sion) Exemple 5 (découpage des barres) - (mise en forme de la tête de soupape) - (vieillissement en solution) (usinage) - (meulage) - (soudage de copeaux d'alliages)sur la tige de soupape) - (cuisson ultrasonique) - (finition ) Exemple 6 (découpage des barres) - (mise en forme de la tête de soupape) - (vieillissement en solution) (usinage) - (meulage) - (soudure de copeaux d'alliage sur la tige de soupape) - (cuisson ultrasonique) - (finition ) (nitruration) Exemple 7 (découpage des barres) - (mise en forme de la tette de soupape) - (trempage et recuit) - (usinage) (meulage) - -(soudage de copeaux d'alliages sur la tige de soupape) - (cuisson ultrasonique) - (finission) Exemple 8 (découpage des barres) - (mise en forme de la tête de soupape) - (trempage et recuit) (usinage) - (meulage) - (soudage de copeaux d'alliages sur la tige de soupape) - (cuisson ultrasonique) - (finition ) - nitruration). Le procédé de fabrication typique conforme à .l'in- vention est indiqué dans l'exemple ci-dessus et il est conduit de la façon suivante des barres d'acier ma rtinsitique et celles résistantes à la chaleur- pour les parties de tige et la partie de tête d'une soupape sont d'sabord découpées à des longueurs appropriées respectives ; les barres sont alors soudées par frottement par terre l'une à l'autre pour former un élément de soupape simple dont la tige et les parties de tête sont reliées intégralement entre elles ; la partie de tête de la soupape est mise en forme selon une configuration de champigon en forgeant par refoulage puis sont usinés et moulés ; ensuite l'extrémité de tige de la soupape est durcie par cuisson ultrasonique et soumise à un traitement de finition Le procédé de l'exemple 2 est similaire à celui de l'exemple @ mis à part le fait que le traitement de nitruration est effectué après la cuisson ultrasonique. Les procédés des exemples 3 et 4 sont similaires à ceux des exemples t et 2 respectivement à cela près que l'élimination de la déformation et le recuit sont remplacés par un vieillissement en solution. Le procédé de l'exemple 5 est conduit comme suit on découpe d'abord des barres en acier austenitiques à des longueurs convenables, on les met en forme suivant une configuration de champignon en forgeant par refoulage pour obtenir une partie de tête de soupape et une partie de tige de soupape, vieillie en solution, usinée et meulée dans l'ordre mentionné ; ensuite on soude un copeau d'un alliage martinsitique sur la soupape puis on durcit par cuisson ultrasonique et l'on effectue la finition. Le procédé de l'exemple 6 est similaire à celui de l'exemple 5 à cela près que le traitement de nitruration est effectué après l'étape de finition. Les procédés des exemples 7 et 8 sont également similaires à ceux des exemples 5 et 6 respectivement à. cela près que le vieillissement en solution est remplacé par un trempage et un recuit. Dans le tableau t ci-dessous on donne des caractéristiques de comparaison de plusieurs sortes d'acier tels que SK3, SUJ2, SKDî1, SKS9, SUH3 et des aciers de "Stellite nO 1" utilisables pour l'extrémité de la soupape, on précise les proportions des principaux constituants chimiques, les conditions de traitement à chaud, la dureté à la cuisson et le pourcentage en volume des principaux carbures. TABLEAU I Traitement cuisson Carbure Type d'acier Principaux constituants chimiques thermique dureté Principal C Cr Mo W V Si SK3 1,05 - - - - 0,3 780 850 M3C 5 % refroidissement à l'eau 820 refroidissement 850 M3C 4 % SUJ2 1,03 1,4 - - - 0,3 à l'huile 1025 refroidis SKD11 1,50 12,1 1,1 - 0,49 0,3 sement à l'air 800 M7C3 13 % M6C8 8,7 % SKH9 0,82 4,2 5,2 6,4 1,92 0,25 1200 refroidis- 850 MC 2,0 % sement à l'huile SKH3 0,38 11,2 0,95 - - 2,10 1030 refroidis- 640 M7C3 0,5 % sement à l'huile Co "Stellite 2,8 27,0 - 19,0 - 45,0 - 550 M6C, M7C pas n 1" à 60 % au total Dans le tableau II ci-après on a indiqué la dureté à la température ambiante et à des températures plus élevées, des aciers du tableau I..Il ressort du tableau Il que les aciers SKH9 et SKD11 ont une dureté qui n'est pas inférieure à Hv 500 à des températures comprises entre la température ambiante et 400 et ainsi ils sont équivalents pratiquement au oint de vue dureté à l'acier "Stellite no 1'.' Type tempéra d'acier ture am- Dureté (Hv) biante 200 C 300 C 400 C 500 C SK3 850 600 430 320 200 SUJ2 850 800 480 350 200 SKD11 800 650 550 500 440 SKH9 850 780 720 680 620 SUH13 550 490 450 410 360 "Stellite 550 545 540 540 520 n 1" Conformément aux procédés des exemples 1 à 4, on prépara des soupapes soudées telles que celles représentées à la figure 1, dans lesquelles ont été employés @les différents aciers mentionnés dans le tableau 1 pour la partie de tige et des barres d'acier SUH38 (C 0,32, Si 0,35 ; P 0,Z3 ; Ni 10,5 Cr 20,5 ; Mo 1,'7 et B 0,001) pour une partie de tête et pour une partie de la tige 0@ doit noter à ce sujet que dans les procédés des exemples 1 et 2 l'élimination des déformations et les traitements de recuit sont effectués à une température d'environ 700 C. La figure 1 représente une forme de soupape soudée fabriquée conformément aux procédés de la présenta invention, telle que par exemple ceux des exemples 1 et 4 et dans lesquels la référencé Aintiqueune partie de tige formée de SKH9 qomprenant une phase d'extrémité D, une partie d'extrémité de tige E et une partie F adjacente à la partie d'extrémité de tige respectivement; ces parties sont durcies par cuisson ultrasoniques jusqu'à respectivement HRC: 58 50 et 40 ; B est une partie de tête ayant une configuration de champignon formée d'acier à structure austénitique résistant à la chaleur SUH 38 ; et C, représente les perles d'aciers "Stellite n0" appliqué sur le siège de la partie de tette. La figure 2 représente une soupapesoudée fabriquée par un procédé de la technique connue, dans lequel les références B et C désignent une partie de tête ayant une configuration de champignon et des perles appliquées sur le siège de la partie de tête respectivement, ces parties sont constituées des mêmes substances que celles utilisées pour les parties correspondantes de la soupape représentée à la figure 1 ; A' et G désignent une partie de tige formée d'acier SUH3 et une perle formée d'acier "Stellite n I" respectivement, la tête et les parties de tige étant soumises à un traitement de vieillissement après avoir refroidi l'huile de 1120 C à 750DC. Pour étudier la durée des soupapes ainsi fabriquées on a effectué des essais pour la première étape de ces soupapes en utilisant des moteurs sur lesquels on a installé ces soupapes et on a constaté que les soupapes en acier SKH9 et SKD11 présentaient une résistance à l'usure excellente mais une usure considérable par formation de crevasse à été observée dans les soupapes constituées d'acier SK3, SUJZ et SUH3. Ensuite les soupapes en acier SKH9 et SKD11 ainsi que celles en acier SUH3 pour lesquelles l'acier avait une faible résistance à l'usure mais qui ont été maintenues à titre de comparaison, ont été soumises ensuite au banc d'essai pour la durée. Pour les soupapes de l'art antérieur ayant une partie de soupape revêtue d'acier "Stellite ne 1"de tels essais de durée avaient déjà été effectuées plusieurs fois dans les mêmes conditions que dans les essais de durée indiqués ci-dessus ce qui explique que l'on at fourni les données antérieures. Pour poursuivre les recherches en matière de durée ds soupapes essayées telles qu'utilisées ci-dessus par chauffage, on a utilisé des soupapes en tête sur des moteurs de 1500 cm3 pour effectuer l'essai de durée à haute vitesse pendant une période de 200 heures dans des conditions de vitesse de rotation de 5000 tours par minute, à pleine charge et avec un jeu de came de 0,15mm. Les résultats obtenus ont été consignés dans le tableau 3 ci-dessous. Comme combustible on a utilisé une essence à haute indice d'octane contenant 0,5 gil de plomb qui avait une tendance particulière à user fortement l'extrémité de la tige. TABLEAU iii Acier pour Ordre des Essais tige de soupape (usure en mm) Résultats SUH3 0,15 0,20 - - Médiocre SKD11 0,05 0,06 - - Bon SKH9 0,01 0,01 0,01 0,01 Bon "Stellite n 1" 0,00 0,01 0,00 0,01 Bon La figure 3 représente une autre forme de soupape soudée fabriquée conformément aux procédés de la présente invention où tels que représentés dans les exemples 5 à 8, et dans lesquels on utilise différentes sortes d'acier tels que représentés dans le tableau I ci-dessus pour la partie de tige de la soupape et des barres en acier SUH38 résistant à la chaleur pour la partie de tête et une partie de la partie de tige. Un copeau d'alliage SKH9 est soudé par projection à l'extré- mité de la partie de tige pour former un élément de soupape simple. Sur la figure 3 la référence H désigne la copeau dtalliage SKH9 qui a été durci par cuisson ultrasonique à HRC 58 ; I est une partie de tête à configuration de champignon et une partie adjacente de la partie de tige qui sont formées touteedeux d'acier SUH38 résistant à la chaleur à structure austénitique ; et , des perles dtacier "Stellite n 6" appliqué sur la surface du siège de la partie de tête. Les soupapes ainsi produites ont été soumises aux mêmes essais de durée que ceux qui ont été effectués sur les premières formes de soupape représentées à la- figure t dans les mêmes conditions d'essai. Les résultats obtenus ont été consignés dans le tableau 4 ci-dessous. TABLEAU 4 Acier pour Ordre des Essais Résultats tige de soupape (usure en mm) SUH3 0,15 0,20 - - Médiocre SKD11 0,03 0,04 - - Bon SKH9 0,01 0,00 0,01 0,01 Bon "Stelline n 1" 0,01 0,01 0,00 0,01 Bon il ressort des résultats ci-dessus qu'en plus des questions mécaniques mentionnées ci-dessus les produits de la combustion de l'essence, l'huile de lubrification et autres produits analogues créés à l'intérieur des chambres de combustion des moteurs ont un effet certain sur ltusure des extrémités des tiges des soupapes de moteur et la chaleur de frottement produite pendant le fonctionnement joue un rôle important sur l'usure des surfaces d'extrémité des extrémités des tiges. Dans le cas où on utilise une vice de réglage carburé ou un moyen analogue, une soupape renforcée avec des perles d'acier "Stellite nO 1" a une tendance à s'user rapidement à cause de l'engagement fréquent avec la vis de réglage, et dans ce cas, la soupape du moteur doit être constituée de substances qui ont une bonne résistance de recuit et une dureté élevée aux températures élevées. Dans ce but las substances contenant du carbure composite sont préférables à celles contenant du carbure simple. On peut noter que l'on peut utiliser un produit en continu pour la production à grande échelle et en comparaison avec un procédé de l'art antérieur dans lequel on utilise des perles d'acier "Stellite" on obtient des résultats à des prix de revient moins. élevés et avec une plus grande efficacité. En outre on a utilisé de l'acier S1(H9 du plus bas degré parmi les aciers à grande vitesse dans les essais mentionnés ci-dessus, mais toute sorte d'acier à grande vitesse contenant du Co sont utilisables dans des conditions requises et la substance la meilleure pour la parte de tige peut être choisie librement conformément aux exigences de combinaison ides substances utilisées pour la partie de tête. En outre même si un traitement de nitruration tel que par exemple nitruration au gaz, nitruration douce ou analogue, était mis en oeuvre après l'opération de finition conformément aux procédés dss exemples mentionnés ci-dessus 6 et 8, il était possible, pour la partie de tige de soupape de conserver une dureté non inférieure à HRC 55 d'avoir une bonne résistance aux gråppures et d'améliorer immédiatement les résistances à la fatigue et à l'usure. En résumé la présente invention fournit une soupape soudée, qui a une bonne résistance de recuit et une dureté élevée même à des températures élevées, et dont les résistances à l'usure et à la fatigue dans la partie d'extrémité de tige sont très améliorées par rapport aux soupapes soudées de l'art antérieur munies iperles de "Stellite". En outre le procédé complet de fabrication de soupape soudées peut être automatisé sans difficulté ce qui permet une production à grande échelle à faible prix de revient. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une soupape soudée présentant une partie de tête en acierausténitique résistant à la chaleur et une partie de tige en acier martinsitique soudés ensemble, ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes de formation d'une partie de tige en acier à forte-résistance à I'usure ayant une dureté non inférieure à Iv 500 à une température comprise entre la température ambiante et 3000C et contenant du carbure composite tel que M6C, MC ou fi C3 à raison de plus de 10 % en volume à l'état cuit, de soudage de la partie de tige sur une tige formée e d'acier ostilitique à haute résistance à la chaleur, de mise en forme de la partie de tête suivant une configuration de champignons en forgeant par refoulage, d'usinage et de meulage, de cuisson de l'extrémité de tige, et de durcissement de l'extrémité de tige par frappage en présence d'ostélite résiduels pour accroître sa résistance à l'usure. 2. Procédé de fabrication d'une sou pape soudée présentant une partie de tête en acierausténitique résistant à la chaleur et une partie de tige en acier martinsitique soudés ensemble, ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes de formation d'une partie de tige en acier à forte résistance à l'usure ayant une dureté non inférieure à Hv 500 à une température comprise entre la température ambiante et 300oC et contenant du carbure composite tel que b Ct MC ou M7C3 à raison de plus de 10 % en volume à l'état cuit, de soudage de la partie de tige sur une tige formée d'acierausténitique à haute résistance à la chaleur, de mise en forme de la partie de tête suivent une configuration de champignon en forgeant par refoulage, d'usinage et de maculage, de cuisson de l'extrémité de la tige, et de nitruration de l'extrémité de la tige pour accroître sa résistance à l'usure. 3. Procédé de fabrication d'une soupage soudée présentant une partie de tête en acierausténitique résistant à la chaleur et une partie de tige en acier martinsitique soudés ensemble, ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes de formation d'une partie de tige en acier à forte résistance à l'usure ayant une dureté non inférieure à *t5W à une température comprise entre la température ambiante et 3000C et contenant du carbure composite tels que M6C, MC ou M?C3 à raison de plus de 10 % en volume à l'état cuit, de soudage de la partie de tige sur une tige formée d'acierausténitique à haute résistance à la chaleur, de mise en forme de la partie de tête suivant une configuration de champignon en forgeant par refoulage, de vieillissement par une solution des parties de tête et de tige, d'usinage et de meulage, de cuisson de l'extrémité de tige, et de durcissement de l'extrémité de tige par frappage en présence dsusténites résiduels pour accroitre sa résistance à l'usure. 4. Procédé de fabrication d'une soupape soudée présentant une parte de tête en acier ostélitique réistant à la chaleur et une partie de tige en acier martincitique soudés ensemble, ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes de formation d'une partie de tige en acier à forte résistance à usure ayant une dureté non inférieure à Hv sm -à une température comprise entre la température ambiante et 300O C et contenant du carbure compasite tels que M6C, MC ou M7C3 à raison de plus de 10 % en volume à l'état cuit, de soudage de la partie de tige sur une tige formée d'acier austénitique à haute résistance à la chaleur, de mise en forme de la partie de tête suivant une configuration de champignon en forgeant par refoulage, de vieillissement par une solution des parties de tête de tige, d'usinage et de meulage, de cuisson de l'extrémité de tige, et de nitruration de l'extrémité de tige pour accroître sa résistance à l'usure.