Brevet FR2461173A1 — publié le 19810130

La présente invention, due à Alexandr Nikolaevich SHALAI, Mikhail Dmitrievich NIKITIN, Nikolai Ivanovich ZAKHAROV et Anatoly Petrovich BRATCHENKO, se rapporte aux pistons en alliage d'aluminium et plus particulièrement, aux procédas de renforcement des gorges de segments dans des pistons en alliage d'aluminium. La présente invention peut être avantageusement utilisée pour la production de pistons utilisés dans les moteurs à combustion interne, les compresseurs et les pompes à piston. Il est connu que, durant le fonctionnement des moteurs à combustion interne à très haut régime munis de pistons en alliage d'aluminium, les parois des gorges abritant les segments et pratiquées dans la tête de piston sont sujettes à une usure et à des déformations élevées, ce qui entraîne la mise hors de service du piston; on a donc intérêt à renforcer ces gorges de piston. De nos jours, on accorde une grande attention au renforcement des gorges de piston par le procédé de pulvérisation d'un métal résistant à l'usure sur une rainure préalablement pratiquée dans le corps de piston et dont les dimensions dépassent celles de la gorge de segment. Ainsi, par exemple, on connaît un procédé de renforcement de la gorge d'un piston en alliage d'aluminium (brevet fran çais Nc 2#22224). Il s'agit d'un procédé de renforcement de la gorge de segment pour le segment supérieur d'un piston réalisé en alliage d'aluminium. Comme on le constate dans l'exploitation des moteurs à combustion interne, la gorge abritant le segment supérieur est sujette à une usure particulièrement élevée. Suivant le susdit procédé, on réalise au préalable, dans le corps de piston, une rainure annulaire à l'endroit du segment supérieur. Les dimensions de cette rainure annulaire dépassent celles de la gorge destinée à recevoir le segment supérieur.Puis on porte la température du piston à une température de 165-200 C et, tout en maintenant la température entre ces limites, on effectue la pulvérisation d'un métal liant sur la surface de la rainure annulaire. Ensuite on procède à la pulvérisation d'un métal résistant à l'usure jusqu'au remplissage complet de ladite rainure, la température du corps de piston étant toujours maintenue dans l'intervalle indiqué. Comme métal liant, on peut utiliser de l'aluminiure de nickel et comme métal résistant à l'usure, de l'acier inoxydable. Ainsi, la couche de métal résistant à l'usure se trouve réuni, par l'intermédiaire de la couche de métal liant, à l'alliage d'aluminium dont est constitué le corps de piston. Après un refroidissement du corps de piston on pratique, dans la couche du métal résistant à l'usure, une gorge aux cotes imposées, destinée à recevoir le segment de comprise sion supérieur. Ce procédé permet de renforcer d'une manière considérable la gorge de piston destinée à recevoir le segment supérieur. Cependant, il exige beaucoup de main d'oeuvre ce qui est dû à la nécessité de la réalisation préalable de la rainure annulaire et de la pulvérisation, sur la surface de cette dernière, d'une couche de métal liant. En outre, la couche de métal liant n'assure pas une adhérence suffisante entre la couche de métal résistant à 1' usure et l'alliage d'aluminium du corps de piston, du fait de la fissuration de la couche de métal liant sous l'effet des contraintes thermiques et mécaniques existant durant le fonctionnement du piston. Ceci a pour effet un émiettement et un écaillement de la couche pulvérisée de métal résistant à l'usure et donc,la mise hors de service du piston. Actuellement, on prete également une grande attentDn au renforcement des gorges dans les pistons en alliage d'aluminium, au moyen d'intercalaires réalisés sous forme de soudures annulaires résistantes à l'usure et pratiquées dans le corps de piston. On connaît,par exemple, un procédé de renforcement de la gorge dans les pistons en alliage d'aluminium (brevet USA N03014771). Il s'agit, en particulier, d'un procédé de renforcement de la gorge destinée à recevoir le segment supérieur et pratiquée dans le corps de piston du moteur à combustion interne. Conformément à ce procédé, on pratique au préalable dans le corps de piston en alliage d'aluminium une rainure an nulaire juste à l'endroit du segment supérieur. Les dimensions de ladite rainure dépassent celles de la gorge destinée à recevoir le segment supérieur. A l'intérieur de cette rainure, on réalise une soudure annulaire résistante à l'usure et formant un intercalaire comportant des inclusions de métal ré- sistant à l'usure. Ladite soudure peut être réalisée dans la rainure annulaire mentionnée par soudage au gaz ou à l'arc électrique avec fil d'apport. La base du fil d'apport est constituée par l'alliage d'un métal susceptible de bien adhérer au métal du piston. Dans dan le cas considéré, étant donné que le piston est constitué en alliage d'aluminium, la base du fil d'apport est formée par un alliage d'aluminium apparenté à celui du piston, en outre, dans l'alliage d'aluminium du fil d'apport se trouvent uniformément réparties les particules d'un matériau lourd et dur, par exemple, d'un alliage à base de fer. Ainsi, la base du matériau de la soudure réalisée dans la rainure annulaire est constituée par un alliage d'aluminium qui adhère solidement sur l'alliage d'aluminium du piston. En outre, les particules de L'alliage à base de fer uniformément réparties dans l'alliage d'aluminium constituant la base du matériau de la soudure, confèrent à celle-ci une bonne résistance à l'usure. Puis on réalise dans la soudure une gorge destinée à recevoir le segment supérieur, en faisant appel à des procédés classiques en soi connus. En comparaison avec le procédé décrit plus haut, ce pro cédé assure une adhésion plus forte entre le matériau de la soudure et l'alliage d'aluminium du piston. Ceci est obtenu grâce au fait que la base du matériau de la soudure est constituée par un alliage d'aluminium voisin de celui du piston. Cependant, il est à noter que, tout comme pour le procédé décrit plus haut, une grande quantité de main d'oeuvre est nécessitée par ce procédé, du fait de la réalisation préalable d'une rainure annulaire dans le corps de piston. En outre, au cours de la réalisation de la soudure dans la rainure annulaire, il se produit dans la zone où le métal de la soudure s'allie à celui du piston, des défauts inévitables propres au soudage des alliages d'aluminium (piqûres, ps nétrations incomplètes, inclusions d'oxydes) qui donnent lieu à une concentration des contraintes provoquant l'amorcement de fissures dans la zone de fusion sous l'action des contrait tes thermiques et mécaniques. Ceci provoque un fort affaiblissement de l'adhérence en tre le matériau de la soudure et l'alliage d'aluminium du piston ce qui peut avoir pour effet la mise hors de service de ce dernier. La présente invention a pour but de créer un procédé de renforcement de gorges destinées à recevoir le segment dans un piston en alliage d'aluminium, suivant lequel l'opération de réalisation de la soudure dans le corps de piston est simplifiée et l'adhérence entre le matériau de la soudure et l'alliage d'aluminium du piston est améliorée dans la mesure du possible. Selon l'invention le procédé de renforcement de gorges destinées à recevoir le segment dans un piston en alliage d'aluminium consiste à réaliser, dans le corps de piston, une soudure annulaire résistante à l'usure et à pratiquer ensuite dans cette soudure une gorge pour recevoir le segment, et il est caractérisé en ce queon réalise ladite soudure annulaire résistante à l'usure en fondant le corps de piston avec introduction simultanée d'un matériau d'apport s'alliant à l' alliage d'aluminium du piston entré en fusion. Une telle réalisation du procédé permet d'obtenir une soudure annulaire résistante à l'usure dans le corps de piston sans avoir à pratiquer au préalable dans ce dernier une rainure annulaire dont les dimensions doivent dépasser celles de la gorge destinée à recevoir le segment, ce qui simplifie d'une manière considérable ledit procédé. En outre, le métal de base de la soudure dans laquelle est ménagée la gorge, est constituée par de l'alliage d'aluminium du piston ce qui permet d'augmenter l'adhérence de la sas dure sur l'alliage d'aluminium du piston. Il est utile d'effectuer la fusion du corps de piston jusqu'à une profondeur égale à 0,3 à 1,3 fois la profondeur imposée de la gorge. En effet, c'est la partie de la face de la gorge occupant de 0,3 à 0,5 fois la profondeur de ladite gorge qui est sujette à l'usure la plus élevée et, donc, il est nécessaire d'assurer la profondeur minimale de la soudure égale à 0,3 fois la profondeur prévue de la gorge de piston. Par ailleurs, en cas de réalisation d'une gorge de piston qui sera située toute entière dans le volume de la soudure,il est normal de limiter la profondeur de cette dernière à la valeur égale à 1,3 fois la profondeur imposée de la gorge, puisqu'une fusion ultérieure du corps de piston ne donne pas une augmentation appréciable des propriétés résistantes à l'usure de la gorge de piston ménagée dans la soudure. Il est également avantageux d'utiliser du nickel en tant que matériau d'apport. L'interaction du nickel avec l'alliage d'aluminium du pis ton donne naissance à des aluminiures de nickel, présentant 2 une dureté élevée allant ( de 600 à 1000 kgf/mm ), et qui se trouvent uniformément réparties sous la forme de particules finement dispersées dans l'alliage d'aluminium du piston entré en fusion, ce qui permet d'obtenir une structure résistante à l'usure du matériau de la soudure. En variante, on peut prendre de l'alliage nickel-chrome comme matériau d'apport. Dans ce cas, le résultat de la réaction d'interaction entre l'alliage nickel-chrome et l'alliage d'aluminium fondu du piston, produit la formation d'aluminiures de nickel et de chrome conférant au matériau de la soudure une bonne résistai ce à l'usure. En outre, la présence de chrome dans l'alliage d'aluminium du piston permet d'augmenter la résistance thermique du matériau de la soudure. Il est également avantageux de porter la température du corps de piston, avant sa fusion, à une température imposée comprise entre les limites de 100 à 3000C et de maintenir, au cours de la fusion ultérieure, cette température de préchaufrage constante dans l'intervalle indiqué, en procédant à un refroidissement du corps de piston à l'air comprimé. Le préchauffage du corps de piston jusqu'à la température imposée et le maintien de cette température constante au cours de la fusion du corps de piston permet d'assurer une profondeur constante de la zone de fusion de 'l'alliage d'aluminium du piston et une répartition régulière du matériau d'apport sur toute la longueur de la soudure. Le préchauffage assure en outre l'égalisation et la ré-duction des contraintes résiduelles dans la soudure lors du refroidissement du corps de piston après la fin de la fusion précédant la réalisation de la gorge de piston, ce qui contr- bue à augmenter l'adhérence de la soudure sur l'alliage d'aluminium du piston. Dans la suite, la présente invention est complétée par une description détaillée du procédé et par des exemples de sa réalisation pratique, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: -la figure 1 est la coupe d'une partie du corps de piston doté d'une pluralité de gorges destinées à recevoir les segments, la gorge pour le segment supérieur étant pratiquée dans un intercalaire réalisé sous forme d'une soudure annulaire résistante à l'usure faite dans le corps de piston, -la figure o représente, d'une manière schématique, le processus de fusion du corps de piston à l'endroit de la gorge destinée à recevoir le segment supérieur, cette fusion entant faite à l'aide d'une source d'énergie thermique;; -la figure 3 montre la coupe de la partie du corps de piston portant la soudure annulaire résistante à l'usure après la fin de la fusion; -la figure 4 est la coupe de la partie du corps de piston munie de la soudure annulaire résistante à l'usure après l'usinage du corps de piston suivant son diamètre extérieur; -la figure 5 est la coupe de la partie du corps de piston avec la soudure annulaire résistante à l'usure et dans laquelle est pratiquée la gorge destinée à recevoir le seg ment supérieur;; -la figure 6 représente la partie du corps de piston portant la soudure annulaire résistante à l'usure et dans laquelle est pratiquée la gorge destinée à abriter le segment supérieur2 la soudure étant réalisée à une profondeur égale à 1,3 fois celle de la gorge en question -la figure 7 représente la meme partie du corps de piston munie de la soudure annulaire résistante à l'usure et dans laquelle est pratiquée la gorge appelée à loger le segment supérieur, mais avec une profondeur de la soudure égale à 0 > 3 fois celle de la gorge en question, et -la figure 8 est la coupe de la partie du corps de piston portant une pluralité de gorges destinées à recevoir les segments et pratiquées dans des intercalaires dont chacun est une soudure annulaire résistante à l'usure et faite dans le corps de piston. En figure 1, le corps de piston 1, constitué en un alliage d'aluminium et destiné à être monté dans un moteur à combos tion interne, comporte deux gorges 2 destinées à recevoir les segments de piston et une gorge 3 pour le segment supérieur. Dans la suite, il est décrit le procédé de renforcement de cette gorge 3 destinée à recevoir le segment supérieur. On porte au préalable la température du corps de piston jusqu'à une température comprise entre les limites de 100 à 300 C. Puis on procède à la fusion du corps de piston 1, fig. 2, à l'endroit de la gorge 3 destinée à abriter le segment supérieur. Cette fusion s'opère à l'aide d'une source 4 déneo gie thermique. La fusion du corps de piston 1 est assurée par la rotation de celui-ci autour de son axe par rapport à la source 4 d'énergie thermique montée à poste fixe La fusion du corps de piston 1 est effectuée à une profondeur égale à 0,3-1,3 fois celle de la profondeur imposée de la gorge 3 appelée à recevoir le segment supérieur. Simultanément avec la fusion du corps de piston 1 on introduit dans l'alliage d'aluminium 5 du piston entré en fusicn, un matériau d'apport 6. Selon l'une des variantes de réalisation de la présente invention, on utilise comme matériau d'apport 6 un fil comportant du nickel. Dans une autre variante de réalisation, c'est un fil en alliage nickel-chrome qui fait l'office de matériau d'apport. Au cours de la fusion, la température de préchauffage du corps de piston 1 est maintenue constante dans 1 'intervalle de températures indiqué de 100 à 3000 C, par un refroidissement (non représenté) du corps de piston 1 à l'air comprimé. Après la fin du processus de fusion du corps de piston 1, on y fait une soudure annulaire 7 résistante à l'usure et qui forme une sorte une sorte d'intercalaire (fig.3). La base du matériau de la soudure annulaire résistante à l'usure est constituée par l'alliage d'aluminium du corps de piston 1 où se trouvent uniformément réparties, selon l'une des variantes de la présente invention, des aluminiures de nickel et selon une autre variante, des aluminiures de nickel et de chrome. Ladite soudure 7 présente une surface extérieure 8 qui est rugueuse et qui fait saillie en dehors de la surface extérieure 9 du corps de piston 1. Le dernier stade consiste en un tournage de la surface extérieure 9 du corps de piston 1, conjointement avec la -surface extérieure 8 de la soudure 7,fig.4, afin d'enlever l'excès du matériau résistant à l'usure de la dite soudure 7 et d'obtenir les dimensions définitives du corps de piston 1. Ensuite, on pratique, dans la soudure annulaire résistante à l'usure 7 ainsi usinée par tournage, la gorge 3 aux dimensions imposées pour recevoir le segment supérieur (fig .5). La figure 6 montre un exemple de réalisation de la soudure annulaire 7 résistante à l'usure dans le corps de piston 1 : cette soudure est réalisée à une profondeur égale à 1,3 fois celle de la gorge 3 appelée à abriter le segment supérieur. Cette variante d'exécution de la soudure 7 assure le renforcement de toute la surface de la gorge 3. La figure 7 donne un autre exemple de réalisation de la soudure annulaire 7 résistante à l'usure dans le corps de piston 1, où la fusion s'effectue à une profondeur égale à 0,3 fois celle de la gorge 3 destinée à recevoir le segment supérieur. Cette variante d'exécution de la soudure annulaire 7 résistante à l'usure permet de renforcer notamment la partie de la face de la gorge 3 qui est sujette à l'usure élevée durant le fonctionnement du piston. Plus haut, on a décrit uniquement le procédé de renforcer ment de la gorge 3 destinée à recevoir le segment supérieur, mais, en cas de nécessité, il est possible de renforcer les ao tres gorges 2 appelées à loger les segments, comme montré sur la fig.8. Le procédé proposé a été utilisé pour l'exécution d'un piston de 210 mm de diamètre en alliage d'aluminium, destiné à être monté dans un moteur à combustion interne. Le piston a été chauffé au préalable juSqu'à la température de 200 C. Ensuite, l'alliage d'aluminium du piston a été fondu au chalumeau à plasma à l'endroit de la gorge destinée à recevoir le segment supérieur; des moyens sont prévus pour as surer la rotation du corps de piston autour du chalumeau à plasma immobile. La fusion de l'alliage d'aluminium a été effectuée à une profondeur de 6,5 mm ce qui correspond à 0,8 fais la profondeur imposée de la gorge appelée à abriter le segment supérieur du piston. En même temps, un matériau d'apport sous forme de fil en nickel est introduit dans l'alliage d'aluminium entré en fusion Au cours de la fusion, le corps de piston est refroidi à l'air comprimé ayant une température de 20 à 30 C. Ceci permet de maintenir la température de préchauffege constante, notamment égale à 200 C. Après la fin du processus de fusion, et avant de procéder à l'usinage de la gorge dans la soudure annulaire résistante à l'usure ainsi obtenue, on a effectué un essai métallographique de la structure de cette soudure. L'essai métallographique montre que l'introduction, du nickel dans l'alliage d'aluminium du piston entré en fusion au cours du processus de fusion a pour effet la formation d'une structure hétérogène et fine du métal de la soudure annulaire. Cette structure hétérogène du matériau de la soudure est formée par l'alliage d'aluminium du piston saturé de particules fines et dures d'aluminiure de nickel, et elle confère à la soudure une bonne résistance à l'usure. En outre, le métal de la soudure est exempt de pénétrations incomplètes tandis que le volume des piqûres ne dépasse pas 0,2 du volume de métal fondu de la soudure. De plus, l'essai métallographique montre l'absence d'interface prononcée entre le métal de la soudure et l'alliage d'aluminium du piston, ce qui assure une adhérence solide entre le métal de la soudure et l'alliage d'aluminium du piston. Le présent procédé de renforcement de gorges destinées recevoir le segment de piston permet de réduire de 1,5 à 2 fois le travail nécessaire pour la réalisation de pistons à gorges renforcées, par comparaison avec les procédés connus. Il est évident que les variantes de réalisation de la présente invention ici décrites et représentées n'ont été données qu'à titre d'exemples préférés et qu'on peut y apporter des changements et des modifications à condition qu'ils restent dans le cadre défini par les revendications qui suivent. -REVENDICATIONS 1,- Procédé de renforceent de gorges destinées à recevoir le segment dans un piston en alliage dgaluminium consistant à réalisera dans le corps de piston, une soudure annulaire résistante à l'usure et à pratiquer ensuite dans cette soudure une gorge pour recevoir le segment, caractérisé en ce qu'on réalise ladite soudure annulaire résistante à l'usure en fondant le corps de piston avec introduction simultanée d'un matériau d'apport s'alliant à l'alliage dlaluminium du piston entré en fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la fusion du corps de pistonàune profondeur égaégale à 0,3 à 1,3 fois la profondeur imposée de la gorge destinée à recevoir le segment. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on utilise du nickel en tant que matériau d'apport 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un alliage nickel-chrome en tant que matériau alliant. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant la fusion du corps de piston, on chauffe celui-ci jusqu'à une température imposée comprise entre les limites de 100 à 3000 et qu'on maintient au cours de la fusion ultérieF re, cette température de préchauffage constante dans l'intervalle indiqué, en procédant à un refroidissement du corps de piston à l'air comprimé. 6.- Piston en alliage d'aluiinium caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.