Brevet FR2504556A1 — publié le 19821029

L'invention se rapporte à la fabrication de pistons en aluminium ou en alliage d'aluminium pour moteurs a combustion interne ou pour compresseurs à mouvement alternatif. De tels pistpns sont formés avec une ou plusieurs rainures à segment tui s'étendent circonférentiellement sur le pourtour du piston et reçoivent chacune un segment de piston pour un contact d'étanchéité avec un cylindre dans lequel le piston doit se déplacer. Pendant ce mouvement alternatif dans des applications imposant de grandes vitesses, le segment de piston tend à user les parois latérales de la rainure à segment du piston Jusqu'à un niveau inacceptable au cours d'un certain temps, de sorte que le joint devient défectueux. Cela est dû au fait que, bien que l'aluminium ou les alliages d'aluminium utilisés pour les pistons aient les avantages de légèreté et de facilité de moulage, ils ne sont pas hautement résistants à une usure de ce type. Pour diminuer les effets de l'usure, on a proposé précédemment de former les rainures dans un porte-segment annulaire en fonte coulé dans le piston. La fonte résiste à cette forme d'usure. Cela présente cependant les inconvénients que le piston devient d'une fabrication coûteuse, qu'il est difficile d'assurer une liaison sûre entre le porte-segment et le piston et que le piston obtenu est lourd en imposant alors un renforcement des parties à mouvement alternatif du moteur. Un but de la présente invention est de diminuer ces inconvénients. Selon un premier aspect de l'invention, on propose un procédé pour fabriquer un piston en aluminium ou en alliage d'aluminium pour un moteur à combustion interne ou pour un compresseur à mouvement alternatif, comprenant, avant l'usinage d'au moins une rainure à segment dans le piston, une opération d'application autour du piston d'un constituant d'alliage qui forme, avec la matière du piston, un alliage plus résistant à l'usure que la matière du piston, une opération de chauffage par un faisceau d'élec trons de la seule région sur laquelle est appliqué le constituant d'alliage pour faire fondre ce constituant et la matière du piston située radialement à l'intérieur dudit constituant d'alliage afin de former une région annulaire dudit alliage autour du piston et radialement dans le piston puis, après refroidissement de l'alliage, une opération d'usinage d'une rainure à segment dans ladite région de façon qu'au moins une partie des parois latérales s'étendant radialement de la rainure à segment du piston soient formées dudit alliage. De préférence, la profondeur radiale de la région de l'alliage est au moins pratiquement égale à la profondeur radiale requise de la rainure à segment du piston. En variante, la profondeur radiale de la région de l'alliage peut être seulement la partie radialement extérieure de la profondeur radiale requise pour la rainure & segment du piston. Le constituant d'alliage peut être appliqué le long de deux régions circonférentielles du piston écartées d'une distance égale ou pratiquement égale à la largeur requise pour la rainure à segment du piston de façon que, par chauffage, on forme deux régions annulaires d'alliage, chacune constituant une paroi de la rainure à segment usinée du piston. Dans ce cas, l'opération de chauffage peut comprendre un chauffage simultané des deux régions du constituant d'alliage par oscillation du faisceau électronique. En variante, le constituant d'alliage peut être appliqué le long d'une seule partie circonférentielle du piston, la largeur de cette partie unique étant au moins aussi grande que la largeur requise pour la rainure à segment du piston de sorte que, par chauffage, on forme une seule région annulaire d'alliage dans laquelle on usine la rainure à segment du piston. Le procédé peut comprendre l'application du constituant d'alliage au piston sous la forme d'une poudre dudit constituant d'alliage et l'accomplissement du chauffage pendant que le constituant d'alliage en poudre est appliqué. La poudre peut être une poudre de silicium. Le procédé peut cependant comprendre l'application d'un constituant d'alliage au piston sous la forme d'un fil dudit constituant d'alliage. Le fil peut entre en acier doux, en acier inoxydable, en nickel ou en cuivre. Le fil peut être posé autour du piston avant l'opération de chauffage ou il peut être amené de façon continue au piston pendant que celui-ci est chauffé, On peut faire varier la vitesse d'alimentation pour modifier la composition de la région d'alliage. Dans ces diverses formes d'exécution, une gorge peu profonde peut, avant l'application du constituant d'alliage, être creusée autour du piston dans la région dans laquelle le constituant d'alliage doit être appliqué, ce constituant d'alliage étant alors appliqué dans la gorge peu profonde, soit sous la forme de poudre, soit sous la forme de fil. Quand deux régions de constituant d'alliage sont utilisées pour une rainure à segment du piston, on creuse deux gorges peu profondes à l'écartement requis. Le constituant d'alliage peut aussi être appliqué au piston sous la forme d'une suspension dans un liquide d'une poudre du constituant d'alliage et on laisse alors sécher la suspension avant l'opération de chauffage. La poudre dans la suspension peut être du silicium, de l'oxyde de cuivre, de l'aluminium pur ou un mélange d'aluminium et de carbone. En variante, le constituant d'alliage peut astre appliqué sous la forme d'une feuille de constituant d'alliage appliquée par électroplacage du constituant d'alliage sur le piston. Le constituant d'alliage électroplaqué peut être du cuivre. Selon un second aspect de l'invention, on propose un piston fabriqué par le procédé du premier aspect de l'invention. On décrira ci-après de façon plus détaillée une forme d'exécution de l'invention exposée & titre d'exemple en référence au dessin annexé, dans lequel la figure I est une coupe partielle d'un piston coulé en aluminium ou en un alliage d'aluminium, la coupe étant faite selon un plan contenant l'axe du piston et montrant deux gorges annulaires peu profondes creusées dans le piston au cours de la fabrication du piston la figure 2 est une vue semblable à la figure 1 mais montrant des fils placés dans lesdites gorges annulaires peu profondes selon ledit procédé la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 mais montrant le piston après une opération de chauffage dudit procédé de fabrication la figure 4 est une vue semblable à la figure 3 mais montrant le piston après l'opération d'usinage d'une rainure à segment du piston au cours du procédé de fabrication ; et la figure 5 montre une microsection (agrandie 400 fois) d'une région d'alliage produite par le procédé. En référence aux figures 1 à 5, le procédé est à utiliser pour la fabrication d'une rainure à segment dans un piston 10 qui est prévu pour des moteurs à combustion interne et qui est établi en aluminium ou en alliage d'aluminium tel que l'alliage d'aluminium vendu sous le nom commercial "Lo-Rk". Le piston 10 est coulé ou forgé en aluminium ou en alliage d'aluminium et est ensuite usiné au tour pour ltobtention d'une surface annulaire extérieure lisse. Deux gorges peu profondes 11a, 11b à section en demi-cercle sont alors usinées le long de la surface annulaire extérieure du piston 10 (voir la figure 1) et chaque gorge peu profonde 11a, 11b a le centre de sa section transversale semi-circulaire dans un plan normal à l'axe du piston. La distance séparant ces deux plans est égale ou pratiquement égale à la largeur requise pour la rainure à segment du piston fini. Le diamètre de chaque gorge peu profonde peut être par exemple de 1,0 à 1,5 mu. Un fil d'alliage 12a, 12b est alors placé dans chaque gorge peu profonde lita, 11b pour s'étendre le long de toute la circonférence du piston 10 (voir la figure 2). Le diamètre de chaque fil 12a, 12b est pratiquement le même que le diamètre de la gorge peu profonde associée 11a, 11b et chaque fil 12a, 12b peut être maintenu en place par déformation locale des c8tés de la gorge peu profonde 11a, 11b pour pincer le fil. Le fil 12a, 12b peut être, par exemple, en acier inoxydable ou en acier dit "maraging" et peut présenter un diamètre de 1,2 mm quand les gorges ont un diamètre de 1,5 mm. On comprendra cependant qu'on peut utiliser toute autre matière convenable. Le piston 10 portant le fil est alors placé dans une chambre sous vide d'une machine à souder par faisceau électronique et le faisceau est dirigé sur l'un des fils I2a, 12b et & angle droit par rapport à l'axe du piston qu'on fait tourner autour de son axe longitudinal. L'autre fil est ensuite traité de la même façon, En variante, le faisceau électronique peut être décalé à une fréquence de 300 Hz pour traiter simultanément les deux fils 12. Le faisceau électronique fait fondre les fils 12a, 12b ainsi que le métal du piston dans la région radialement à l'intérieur des gorges peu profondes lIa, 11b. La matière des fils 12a, 12b est dispersée à travers la matière de piston fondue pour former des régions en alliage 13a, 13b dans une section de forme générale trangulaire. Comme la partie non fondue du piston constitue un puits de chaleur presque infini, l'alliage fondu est rapidement trempé.Une légère saillie reste sur la surface du piston à l'extrémité radiale extérieure de chaque région d'alliage 13a, 13b. Le faisceau électronique est dirigé de préférence sur chaque région a'alliage 13a, 13b une seconde fois pour l'obtention de la structure d'alliage désirée. La seconde passe se fait à la même puissance et a la m#me vitesse que la première mais part d'un point diamétralement opposé au point de départ de la première passe. Le piston 10 est ensuite soumis & l'usinage de finissage pour 11 obtention d'une rainure & segment annulaire de piston 14 (voir la figure 4) sur le pourtour du piston. Chaque paroi latérale 15a, 15b de la rainure à segment de piston 14, étant en alignement avec la position du centre des gorges lia, Ilb, est formée par la matière d'alliage. Comme on le voit sur la figure 5 qui est une micrographie montrant la microstructure des régions 13a, 13b, la matière d'alliage présente l'acier dispersé à travers la matière du piston en aluminium ou en alliage d'aluminium pour constituer un alliage qui est plus dur et plus résistant à l'usure que la matière du piston0. Ainsi, les parois latérales 15a, 15b de la rainure à segment 14 du piston sont plus aptes que la matière du piston à résister à l'usure à laquelle elles sont soumises par un segment, particulièrement à l'usure qui se présente quand le piston change son sens de déplacement au point mort haut et au point mort bas. Bien que, dans l'exemple qui précède, le constituant d'alliage ait été sous la forme d'un fil 12a, 12b, on remarquera qu'il peut être appliqué au piston sous la forme d'une feuille de constituant d'alliage ou par projection du constituant d'alliage sur le piston dans la région dans laquelle l'alliage est requis ou encore par électroplacage du constituant d'alliage dans la région en question. Comme on l'a représenté aux figures 7 et 2, on utilise une gorge peu profonde séparée lia, 11b et un fil séparé 12a, 12b pour chaque paroi latérale de la rainure à segment du piston. On remarquera qu'on pourrait creuser une seule gorge ayant une largeur légèrement plus grande que la largeur finale désirée de la rainure à segment du piston et placer un fil de largeur correspondante dans la gorge pour former une région d'alliage plus large. La rainure à segment du piston serait alors creusée complètement ou à peu près complètement à l'intérieur de cette région d'alliage plus large de façon qu'au moins la partie radialement extérieure des parois latérales 15a, 15b soit formée en la matière résistant à l'usure. Dans les régions d'alliage 13a, 13b décrites cidessus et représentées sur la figure 5, la matière d'alliage représente environ 8 % du volume total de la région d'alliage 13a, 136. Cette proportion peut être plus grande qu'il n'est nécessaire et, en diminuant la surface de section des fils 12a, 12b, on peut réduire la concentration Jusqu'à une valeur entre 1 % et 3 49. En général, les pistons sont munis de deux rainures à segment ou davantage. Le problème de l'usure de la rainure à segment d'un piston est plus aigu pour la rainure à segment située le plus près de la tête du piston et ainsi le procédé décrit ci-dessus ne sera appliqué en général qu'à cette rainure. On remarquera cependant que le procédé peut s'appliquer à plusieurs rainures à segment d'un piston ou à toutes les rainures à segment. Dans la forme d'exécution décrite ci-dessus en référence au dessin, le piston peut être soumis à des traitements complémentaires modifiant la structure de la région d'alliage. Les rainures à segment d'un piston 14 établies par le procédé décrit ci-dessus en référence au dessin sont peu coûteuses et de fabrication facile. En outre, elles sont intégralement formées avec le reste du piston de sorte qu'il n'est pas possible que la partie du piston située autour de la rainure à segment vienne à se détacher du reste du piston En outre, le poids du piston n'est pas augmenté exagérément par le procédé de sorte que la performance du piston n'est pas compromise et qu'il n'est pas nécessaire d'augmenter la résistance des parties du moteur a' mouvement alternatif associées au piston0 R E V E N D i C A T i O N S. 1. Procédé pour la fabrication d'un piston en aluminium ou en alliage d'aluminium pour un moteur à combustion interne ou pour un compresseur à mouvement alternatif, caractérisé par les opérations consistant, avant l'usinage d'au moins une rainure a' segment du piston, à appliquer le long du pourtour de ce piston un constituant d'alliage qui forme avec la matière du piston un alliage plus résistant & l'usure que la matière du piston, à chauffer par un faisceau électronique la seule région dans laquelle est appliqué le constituant d'alliage pour faire fondre ce constituant d'alliage et la matière du piston située radialement à l'intérieur dudit constituant d'alliage de façon à former une régionamulaire dudit alliage s'étendant à la fois circonférentiellement le long du pourtour du piston et radialement dans le piston puis, après refroidissement de l'alliage, à usiner une rainure à segment du piston dans ladite région de façon ga'au moins une partie des parois latérales s'étendant radialement de la rainure à segment du piston soit formée dudit alliage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la profondeur radiale de la région d'alliage est au moins pratiquement égale à la profondeur radiale requise pour la rainure å segment du piston. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la profondeur radiale de la région d'alliage n'est que la partie radialement extérieure de la profondeur radiale requise pour la rainure à segment du piston. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le constituant d'alliage est appliqué le long de deux régions circonférentielles du piston écartées d'une distance égale ou pratiquement égale à la largeur requise pour la rainure à segment du piston fini de façon que, par chauffage, one#tabiisse deux régions annulaires dudit alliage, chacune formant une paroi de la gorge à segment usinée du piston. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'opération de chauffage comprend le chauffage simultané de deux régions du constituant d'alliage par oscillation du faisceau électronique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le constituant d'alliage est appliqué le long d'une seule partie circonférentielle du piston dont la largeur est au moins aussi grande que la largeur requise pour la rainure à segment du piston de façon que par chauffage on forme une seule région annulaire d'alliage dans laquelle est usinée la rainure à segment du piston. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par l'opération consistant à appliquer le constituant d'alliage au piston sous la forme d'une poudre de ladite matière d'alliage, en particulier une poudre de silicium et par l'opération consistant ê chauffer quand le constituant d'alliage en poudre est appliqué. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par l'opération consistant à appliquer le constituant d'alliage au piston sous la forme d'un fil dudit constituant d'alliage. 9o Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le fil est un fil en acier doux, un fil en acier inoxydable, un fil de nickel ou un fil de cuivre. 10. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé par le fait que le fil est posé autour du piston avant l'opération de chauffage ou est amené de façon continue au piston pendant que celui-ci est chauffé. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé par le fait qu'une gorge peu profonde est creusée autour du piston avant l'application du constituant d'alliage dans la région dans laquelle ce constituant d'alliage est ensuite appliqué sous forme de poudre ou d'un fil dans la gorge peu profonde. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le constituant d'alliage est appliqué au piston sous la forme d'une suspension composée d'un liquide et d'une poudre du constituant d'alliage et qu'on laisse sécher la suspension avant d'effectuer l'opération de chauffage. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la poudre dans la suspension est du silicium de l'oxyde de cuivre, de l'aluminium pur ou un mélange d'aluminium et de carbone. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le constituant d'alliage est appliqué sous la forme d'une feuille de matière d'alliage électroplaquée ou plaquée autrement sur le piston. 150 Piston obtenu par le procédé de l'une quelconque des revendications 7 à 14.