Brevet FR2478503A1 — publié le 19810925

1. L'invention concerne un procédé de fabrication d'un piston destiné principalement à des moteurs à combustion interne de grande puissance, par exemple des moteurs de camions, utilisant le cycle à allumage commandé ou le cycle Diesel. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de forgeage de métal en phase liquide permettant d'obtenir une liaison métallurgique améliorée entre un segment ferreux rapporté et une pièce de piston moulée en alliage d'aluminium. Le forgeage d'un métal en phase liquide est également appelé moulage à serrage par pression et moulage par extrusion. Il s'agit d'un procédé hybride qui regroupe les avantages du forgeage et du moulage, ce qui permet d'obtenir des structures ayant une résistance supérieure à celle des pièces purement moulées, tout en demandant moins d'énergie de fabrication que les pièces purement forgées. Les avantages principaux de l'utilisation des pièces obtenues par forgeage de métal en phase liquide par rapport aux pièces coulées en moules entièrement métalliques, dans la fabrication de pistons, comprennent des cadences de production plus élevées et la suppression des attaques et des jets de coulée inévitables dans le procédé utilisant des moules entièrement métalliques, ces attaques et jets entrai- nant un gaspillage de matière. De plus, l'opération d'élimination de l'azote gazeux de l'aluminium fondu avant la coulée peut être supprimée, car les porosités et les retassures peuvent être éliminées par compression sous les pressions appliquées. La présence d'un joint annulaire convenable autour de la partie supérieure du piston est reconnue depuis longtemps comme étant essentielle à la longue durée de vie du moteur et à un rendement élevé de ce moteur. Si l'étanchéité n'est pas correcte, les gaz de combustion ne sont pas convena- blement comprimés pour brûler de manière satisfaisante, ce qui entraîne une combustion inefficace du combustible, avec une carbonisation correspondante de la tête du piston et des parois du cylindre. Le problème de l'étanchéité devient encore plus critique avec l'accroissement de la dimension du moteur et de sa charge. Ainsi, dans des applications demandant des 2e puissances élevées, la pratique consistant à utiliser des segments de piston rapportés, en matière dure, encastrés dans la partie annulaire de pièces moulées de têtes de piston, réalisées en moule entièrement métallique, a évolué afin de réduire l'usure apparaissant dans les gorges des segments et résultant autrement du serrage constant du segment de piston sous les pressions de combustion. A ce jour, le procédé de forgeage de métal en phase liquide a été utilisé pour la fabrication de pistons de moteurs moins puissants n'exigeant pas l'utilisation de segments rapportés. L'invention concerne un procédé consistant à utiliser le processus de forgeage de métal en phase liquide pour réaliser des liaisons métallurgiques améliorées entre des pièces rapportées ferreuses et des pièces moulées en alliage d'aluminium pour pistons de moteurs à grande puissance. Ce procédé a pour résultat la réalisation de pistons à charge importante, comportant des pièces rapportées et possédant à présent les avantages d'une plus grande résistance et d'une plus grande longévité, caractérisant les structures obtenues par forgeage de métal en phase liquide. Le procédé selon l'invention consiste à placer une pièce rapportée de segment de piston dans une cavité de moulage d'un piston, à couler un alliage d'aluminium en fusion dans la cavité, à placer cet alliage sous pression jusqu'à ce qu'il soit solidifié, puis à retirer de la cavité la pièce moulée de piston ainsi obtenue. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: - la figure 1 est une coupe transversale d'un appareil de moulage en position de fermeture, mettant en oeuvre le procédé de l'invention, cette vue montrant une masse d'alliage d'aluminium en fusion, placée sous pression dans une cavité de moulage d'un piston; et - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un piston réalisé par la mise en oeuvre du procédé de l'invention, des gorges de segments ayant été usinées dans la surface cylindrique extérieure du piston et l'une de ces gorges ayant été usinée dans la pièce de segment rapportée. 3. La figure 1 représente un appareil de moulage pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Une cavité 10 de moulage d'un piston est délimitée par des moitiés supérieure et inférieure 12 et 14 de ce moule, la moitié supérieure définissant une tête 11 de piston et la moitié inférieure définissant une jupe 20 de piston. Un noyau intérieur 16 s'élève dans un alésage 15 ménagé dans la partie inférieure de la moitié inférieure 14 du moule et pénètre dans la cavité 10 de moulage afin de former la cavité 18 du piston (figure 2) située au-dessous de la jupe 20. La moitié supérieure 12 du moule présente un alésage 17 dans lequel passe un fouloir 22 destiné à appliquer une certaine pression au métal en fusion contenu dans le moule. Une forme préférée du procédé de l'invention sera à présent décrite. Une pièce rapportée 24 de segment de piston en métal ferreux (de préférence en fonte à haute teneur en nickel) est d'abord prétraitée par nettoyage, soit par sablage, soit par grenaillage, afin que les oxydes soient éliminés de sa surface. Elle est ensuite revêtue d'une mince couche d'alliage de fer et d'aluminium, de préférence par la mise en oeuvre d'un procédé d'aluminisation bien connu de l'homme de l'art. La pièce rapportée 24 de segment ainsi prérevêtue est ensuite placée au moyen de pinces sur plusieurs petites pattes de support (non représentées) réalisées d'une seule pièce et faisant saillie vers le haut d'une fraisure conique 26 réalisée dans la partie supérieure de la moitié inférieure 14 du moule. Le demi-moule supérieur 12 est ensuite abaissé sur le demi-moule inférieur 14 afin de former là cavité 10 de moulage du piston. De l'alliage d'aluminium en fusion est ensuite coulé dans la cavité 10 au moyen de l'alésage 17 jusqu'à un niveau déterminé avec soin. La coulée du métal en fusion suit de très près la mise en place du segment. Un intervalle de temps très court, de 5 à 20 secondes, doit être compris entre la mise en place de la pièce rapportée et la coulée de l'aluminium afin de minimiser la formation d'oxyde sur le segment rapporté. Ensuite, le fouloir 22 est abaissé dans l'alésage 17 et introduit dans la cavité 10 de moulage. Le fouloir 22 est 4. relié à un dispositif hydraulique de pression (non représenté) capable d'appliquer des forces suffisantes pour soumettre l'alliage d'aluminium en fusion à une pression comprise de préférence entre 21 à 175 MPa. La pression est appliquée par le fouloir jusqu'à l'achèvement de la solidification, ce qui demande d'environ 3 à 5 minutes selon la dimension de la cavité du moule. Le moule est ensuite ouvert et le piston moulé sous pression en est éjecté. Dans le procédé préféré selon l'invention, les résultats les plus satisfaisants sont obtenus avec une température de moule de 260 à 315WC (selon la dimension de la pièce moulée et la forme de la cavité du moule). Le moule doit être suffisamment chaud pour permettre au métal en fusion d'être mis sous pression avant le début de la solidification, mais il ne doit pas être si chaud qu'un déchirement du moule par le piston se produise lors de l'enlèvement de ce dernier du moule. La figure 2 montre un piston fini 40 tel qu'il se présente à la fin d'une opération d'usinage effectuée ultérieurement. Des gorges 42, 44 et 46 sont usinées dans la surface cylindrique extérieure du piston, comme représenté, afin de permettre la mise en place des segments du piston. Le segment supérieur peut alors être introduit dans la gorge 42 usinée dans la pièce rapportée ferreuse 4, afin de réduire l'usure importante résultant du serrage du segment supérieur, comme décrit précédemment. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 5. REVENDICATIONS 1. - Procédé de réalisation d'une liaison métallurgique entre une pièce rapportée ferreuse et une pièce moulée en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste à placer ladite pièce rapportée (24) dans la cavité (10) d'un moule, à couler un alliage d'aluminium en fusion dans cette cavité, à mettre l'alliage en fusion sous pression jusqu'à ce qu'il se solidifie, puis à retirer la pièce moulée ainsi obtenue de ladite cavité du moule. 2. - Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la pièce moulée en alliage d'aluminium constitue un piston, ladite pièce rapportée étant une pièce rapportée de piston et ladite cavité étant la cavité d'un moule de piston. 3. - Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la pièce rapportée ferreuse est une pièce rapportée pour segment de piston, réalisée en fonte à haute teneur en nickel. 4. - Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il consiste à nettoyer par grenaillage la pièce rapportée de segment de piston avant sa mise en place dans la cavité du moule de piston. 5. - Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il consiste à revêtir au préalable la pièce rapportée de segment de piston d'une mince couche composite d'alliage de fer et d'aluminium, après le nettoyage par grenaillage et avant sa mise en place dans la cavité du moule de piston. 6. - Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la pression est appliquée à l'alliage en fusion par un fouloir (22) qui établit, dans l'alliage en fusion, des pressions comprises entre 21 et 175 MPa.