Brevet FR2461862A1 — publié le 19810206

La présente invention concerne les pistons et les procédés pour leur fabrication et plus particulièrement le renforcement des gorges recevant les segments de piston. Les pistons conventionnels pour moteurs a combustion in- terne sont pourvus de gorges pour la reception de segments. Les flancs de ces gorges sont sujets à l'usure et à la ddformation sous l'effet des forces d'inertie des segments pendant les mouvements alternatifs du piston en service. Cette ddformation est un problème particulibre- ment s6rieux avec les pistons en aluminium. Pour éviter la déformation, des bagues de renfort peuvent être fixées d'un cSté ou des deux cGtés des gorges, par exemple comme décrit dans le brevet français 74 086 74 (n de publication 2 221 624). Jusqu'à présent, les bagues de renfort ont été fixes en place par une adhérence obtenue chiiquement ou par un soudage. L'invention apporte un piston, possédant une gorge a segment de piston flanquée d'un cSté au moins d'un élément de ren- fort, qui est essentiellement caractérisé en ce que l'élément de ren- fort présence un ou plusieurs évidements, dans lequel ou dans lesquels s'étend du matériau du piston, ce qui fixe l'lédment de renfort en place dans le piston par l'établissement d'une liaison mécanique entre eux. Selon un mode de réalisation préféré, l'évidement ou cha- que évidement est une rainure formant un rentrant en section droite, inclinde vers l'extérieur ou formant d'une autre manière un sous-cavage pour assurer que des forces appliquées perpendiculairement au plan de l'élément de renfort, une bague par exemple, ne puissent pas rompre la liaison entre l'élément et le piston. Par exemp]le, le matériau du piston s'étendant dans la rainure ou dans chaque rainure peut former une nervure qui est inclinée vers l'axe du piston en direction de la gorge à segment. De plus, ou alternativement, la rainure peut compor- ter une partie resserrée ou étranglement. Selon un autre mode de réalisation préféré, l'élément de renfort, notamment une bague de renfort, est en matériau fritte et est fixée au côté de la gorge par la pénétration et le blocage de matériau du piston dans des pores de l'élément de renfort fritté. L'invention apporte aussi un procédé pour fabriquer un tel piston, c'està-dire un piston possédant une gorge à segment de piston flanquée d'un coté au moins d'un élément de renfort, ce pro- cédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes disposer un élément de renfort dans une gorge formée dans le piston, faire fondre localement du matériau constitutif du piston près de l'élément de renfort, par exemple par un faisceau d'électrons ou un faisceau laser, faire pénétrer le matériau fondu du piston dans un ou plusieurs évidements de l'élément de renfort et permettre à ce matériau fondu de se solidifier dans les évidements et à établir ainsi une liaison mécanique entre l'élément de renfort et le piston. Selon une autre caractéristique de l'invention, un pro- cédé pour fabriquer un piston possédant une gorge à segment de piston flanquée d'un coté au moins d'un élément de renfort est caractérisé en ce qu'il comprend la coulée du piston dans un moule dans lequel a été disposé préalablement l'élément de renfort ou chaque élément de renfort. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plu- sieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale et partiel- lement en coupe axiale d'un piston possédant des gorges à segment ren- forcées conformément à l'invention; la figure 2 est une coupe axiale à plus grande échelle d'une partie d'un piston comportant une gorge à segment de piston ren- forcée selon l'invention; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 mais montrant une autre variante de réalisation; la figure 4 est une coupe axiale d'une partie d'un piston à un stade intermédiaire de la fabrication du piston selon un procédé de l'invention; et la figure 5 est une vue analogue servant à illustrer un procédé de fabrication selon une variante. La figure 1 représente un piston pour un moteur Diesel, qui est pourvu d'un certain nombre de gorges 1 & segment formées dans le corps 2 du piston pour recevoir des segments de piston (non repré- sentés). Le corps de piston 2 est de préférence en alliage d'aluminium, par exemple de l'alliage LO-Ex ou d'un alliage hypereutectique. Le piston contient plusieurs bagues de renfort 3 qui sont disposées chacune de manière à former l'un des flancsd'une gorge 1 à segment. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, la surface dela bague de renfort 3 éloignée de la gorge 1 forme plu- sieurs rainures 4 inclinées vers l'extérieur. La bague de renfort 3 est fixée à la position représentée, dans un procédé de fabrication, par la formation dans le piston d'une gorge 1 qui est au moins suffisamment large pour recevoir la bague 3, la fusion du matériau du corps de piston 2 limitrophe à la bague de renfort 3 et l'amende du-matériau fondu dans les rainures 4 par écou- lement sous l'effet de la pesanteur ou d'une autre manière. Cette fusion locale du matériau du corps de piston 2 peut ttre produite par un faisceau d'électrons ou par un faisceau laser, tous deux capables de former un faisceau étroit à haute énergie de l'intensité nécessaire à l'interface entre la bague 3 et le piston. Le matériau du corps de piston 2 est ensuite permis de se solidifier dans les rainures 4, ce qui produit la fixation de la bague de renfort 3 au corps de piston par une liaison mécanique. Si l'espace qui reste ensuite dans la gorge 1 est trop petit, compte tenu du segment de piston que la gorge est destinée à recevoir, il peut Gtre élargi par usinage et cet usinage peut comporter l'enlèvement d'une partie de la bague de renfort. Différents profils peuvent être utilisés pour les rainures 4 mais il est préférable qu'une partie au moins de chaque rainure forme un rentrant, soit inclinée vers l'extérieur ou forme un sous-cavage d'une autre façon. De cette manière, la bague de renfort 3 est retenue mécaniquement dans la gorge à segment de piston et est capable de ré- sister aux forces susceptibles de rompre la liaison entre le matériau constitutif du piston et la bague de renfort. La figure 3 montre un exemple de réalisation o les rainures 4 possèdent une section droite en forme de trou de serrure. La bague de renfort 3 est de préférence en fonte austéni- tique. Des exemples de fontes qui conviennent comportent notamment ceux qui suivent: Exemple 1. Composition CI 6 Elément % en poids (teneur totale) C 2,5 - 3 Si 2,2 max Ma 0,7 - 1,2 S 0,1 max P 0,8 max Ni 13 - 17 Cr 1,5 min Cu 6 - 8 Fe reste Exemple 2. CI 40 Et C 2,8 - 3,3 Si 2,8 - 3,5 Mn 5,5 - 9 S 0,025 max P 0,5 max Ni 2 6 Cr 0,3 max Cu 5 max Fe reste D'autres matériaux appropriés sont l'acier, des alliages d'aluminium résistant à l'usure ou des matériaux résistant & l'usure appliqués par pulvérisation, par exemple celui décrit dans le brevet britannique 1 449 162 de Wellworthy. Il est possible aussi de réaliser la bague de renfort 3 d'un matériau fritté, par exemple du matériau décrit dans le brevet français 75 27 040 et dans le brevet britannique 1 524 809, oud'un autre matériau poreux. Une bague de ce type a l'avantage que le maté- riau du corps de piston 2 peut pénétrer dans les pores de la bague 3 et établir une liaison mécanique-solide avec elle. Si la bague de ren- fort 3 est frittée, les rainures de la bague pourraient avoir une section à peu près rectangulaire ou mime etre supprimées complètement, de sorte que la bague présente une surface plane, étant donné que la pénétration du matériau du corps de piston dans les pores de la bague 246 1862 frittée peut établir une liaison mécanique suffisamment solide pour maintenir la bague 3 en place. Une bague de renfort peut 8tre disposée sur chacun des deux c6tés de la gorge à segment. Chaque bague peut Itre formée de deux parties afin de faciliter la mise en p!ace, Il est possible aussi d'utiliser une bague de renfort en une pièce et de souder unae bague d'aluminium en haut du piston pour former la gorge à segment. Un autre procédé de fabrication du piston, voir la fi- gure 4, Gosporte la réalisation dans un corps de piston d'une ou de 1i plusieurs petites gorges 5 qui sont chacune suffisamment grande pour recevoir une bague de renfort 3. Une liaison mécanique telle que décrite ci-dessus est ensuite établie entre le corps de piston 2 et la surface de la bague de renfort 3 qui sera ensuite éloignée de la gorge è segmcent, la liaison dtant établie par la fusion ( matériau du corps de piston 2 a l'interface 6. Cette fusion peut être produite, par enemple, par un faisceau d'électrons pointé dans la direction A. Une fois la bague de renfort 3 fixée en place, la gorge à oeSment 1 pQut Gtre réalisée par usinage. Dans l'exemple repwésente sur la figure 4, la partie 7 du corps de piston 2 est enlevée par usinage pour laisser une gorge (semblable à une gorge 1 de la figure 1) qui est définie en haut et en bas par une bague de renfort 3. La dis- tance entre les deux bagues 3 est de préférence telle qu'une partie de chaque bague de renfort 3 limitrophe à la gorge destinée à recevoir le segment doive également dtre enlevée par usinage afin d'assurer que la gorge à segment soit dimensionnée avec précision. Dans un troisième procédé de mise en oeuvre de l'invention, un corps de piston 2 est formé par coulée dans un moule 8 (figure 5), un moule de sable par exemple, dans lequel a été placée préalablement une bague de renfort 3 ou dans lequel ontété placées prdalablement plu- sieurs bagues de renfort 3, supportée(s) de préférence par les cotés opposés d'une nervure 9 faisant saillie vers l'intérieur à partir de l'empreinte du moule. Pendant la coulée consécutive du piston, du métal fondu du corps de piston s'écoule contre les bagues de renfort 3 et établit avec elles une liaison mécanique comme décrit dans ce qui précède. 246 1-862 Après refroidissement et solidification, le corps de piston 2, dans lequel sont encastrées les bagues de renfort 3, est démoulé. Les bagues 3 sont de préférence disposées à une telle dis- tance l'une de l'autre qu'un usinage limité des faces tournées l'une vers l'autre des bagues soit nécessaire afin d'obtenir une gorge à segment de piston de dimensions précises. L'un des problèmes rencontrésjusqu'ici est que des com- posés intermétalliques se forment à la face de jonction entre les bagues de renfort 3 et le corps de piston 2. Ces composés intermétal- liques ont tendance à affaiblir la liaison entre l'élément de renfort et le corps de piston. Si le métal du piston 2 est fondu comme décrit dans ce qui précède, par un faisceau laser par exemple, il est très probable que les composés intermétalliques diffusent à l'intérieur du corps,.de piston et disparaissent donc de la surface. Cela doit pro- duire une liaison plus solide. Une fois en place, la bague de renfort est maintenue en place de façon fiable dans la gorge àsegment de piston et réduit par conséquent l'usure que produit le fonctionnement du piston sur les flancs de la gorge. 246 1862 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Piston, possédant une gorge à segment de piston flanquée d'un cOté au moins d'un élément de renfort, caractérisé en ce que l'élément de renfort présente un ou plusieurs évidements, dans lequel ou dans lesquels s'étend du matériau du piston (2), ce qui fixe l'êld- ment de renfort (3) en place dans le piston par l'établissement d'une liaison mécanique entre eux. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de renfort (3) est en matériau poreux et les évidements sont formés par des pores dans la surface de l'élément de renfort (3). 3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de renfort (3) est en matériau fritté et le matériau du piston (2) pénètre et se bloque dans les pores du matériau fritté. 4. Piston selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'un évidement au moins est une rainure (4) formée dans l'élément de renfort (3). 5. Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau du piston (2) s'étendant dans la rainure ou dans chaque rainure (4) forme une nervure qui est inclinée vers l'axe du piston (2) en direction de la gorge à segment. 6. Piston selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la rainure ou chaque rainure (4) est pourvue d'une partie resserrée ou étranglement, formée, par exemple, par une partie d'une section droite en forme de trou de serrure. 7. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de renfort (3) est en fonte austénitique, en acier ou en alliage d'aluminium résistant à l'usure. 8, Piston selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'élément de renfort (3) est constitué d'une ou de plusieurs pièces formant une bague de renfort. 9. Procédé pour fabriquer un piston possédant une gorge à segment de piston flanquée d'un côté au moins d'un élément de renfort, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes: disposer un élément de ren- 246 1862 fort dans une gorge formée dans le piston, faire fondre localement du matériau constitutif du piston (2) près de l'élément de renfort (3), par un faisceau d'électrons ou un faisceau laser par exemple, faire pénétrer le matériau fondu du piston dans un ou plusieurs évidements de l'élément de renfort (3) et permettre à ce matériau fondu de se solidifier dans les évidements et à établir ainsi une liaison méca- nique entre l'élément de renfort (3) et le piston (2). 10. Procédé pour fabriquer un piston possédant une gorge & segment de piston flanquée d'un c8té au moins d'un élément de renfort, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend la coulée du piston dans un moule, dans lequel a été disposé préalablement l'élément de renfort ou chaque élément de renfort, 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la gorge à segment est formée, en partie au moins, par une saillie de la paroi du moule près de l'élément de renfort ou de chaque élément de renfort et/ou par l'usinage du piston coulé de manière qu'une surface de l'élément de renfort ou de chaque élément de renfort forme une paroi limitant la gorge. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la gorge (1) à segment est formée ou finie par usinage consécutivement à la fixation de l'élément de renfort (3) au piston.