Brevet FR2502036A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne un procédé pour produire une pièce mécanique d'un matériau mixte renforcé par fibres formé en intégrant un matériau fibreux inor- ganique dans une matrice par un procédé de moulage pour une solidification à haute pression. La présente inven- tion concerne également le corps de forme fibreuse ser- vant de renforcement et la pièce mécanique résultante. Le terme "procédé de moulage pour une solidi- fication à haute pression" utilisé dans la description est relatif à un procédé de moulage spécial dans lequel une pression hydrostatique élevée de 500 à 2000kg/cm2 est appliquée au métal fondu dans un moule et dans le- quel le métal fondu est solidifié par application de cet- te pression hydrostatique élevée. Ce procédé de moulage permet, en intégrant le matériau fibreux dans la matrice, d'imprégner suffisamment le matériau fibreux dans toute son étendue avec le métal fondu qui constitue la matrice. Selon ce procédé de moulage, il est donc possible d'ob- tenir une pièce mécaniqueod'un matériau mixte ayant une résistance mécanique élevée. Dans la demande de brevet japonaise n058471 déposée en 1977, la Demanderesse a déjà proposé un pro- cédé pour produire un matériau mixte renforcé par fibres dans lequel un corps de forme fibreuse ayant une densité volumique comprise entre 0,05 et 2,0g/cc, composé de fi- bres inorganiques très élastiques avec un matériau de soudage d'un système de soudure à l'argent opérant par diffusion-liaison partielle dephases fibreuses, est inté- gré dans la matrice par le procédé de moulage pour une solidificathn à haute pression décrit plus haut. En rai- son de la diffusion-L1ZisOnf partielle entre les phases fi- breuses par la soudure à l'argent, le corps de forme fi- breuse a une stabilité ou une nature d'auto-tenue élevée même pendant le moulage. Il est donc possible de renforcer de manière appropriée la partie désirée de la pièce mécanique avec les fibres. Une étude approfondie a permis de conclure que le procédé mentionné plus haut pouvait impliquer le problème suivant. C'est-à-dire, bien que la soudure à l'argent puisse être suffisamment diffusée dans toute l'étendue du corps fibreux pour effectuer la diffusion- liaison de phases fibreuses quand la densité volumique du corps de forme fibreuse tombe entre 0,05 et 2,Og/cc, il est impossible d'atteindre une imprégnation suffisan- te de la soudure à l'argent dans toute l'étendue du corps - de forme fibreuse quand la densité volumique du corps de forme fibreuse est augmentée au-delà de la limite supé- rieure de l'intervalle de valeurs spécifié plus haut pour réaliser un effet de renforcement supérieur par les fibres. Dans ce cas, le corps de forme fibreuse est donc instable et il est impossible de renforcer de manière appropriée la partie désirée de la pièce mécanique comme produit final. Un objet de la présente invention est un pro- cédé pour produire une pièce mécanique d'un matériau mix- te qui permet un renforcement par fibres approprié de la partie désirée de la pièce mécanique en assurant une dif- fusion-liaison partielledes phases fibreuses dans toute l'étendue du corps de forme fibreuse, même quand la den- sité volumique du corps de forme fibreuse est augmentée pour atteindre un effet de renforcement supérieur. A cette fin, selon la présente invention, un corps de forme fibreuse inorganique est formé par une diffusion-liaison partielle de ses phases fibreuses par un matériau de soudage au cuivre, et le corps de forme fibreuse inorganique ainsi formé est intégré dans la ma- trice par le procédé de moulage pour une solidification à haute pression. Comme fibres inorganiques, on utilise de pré- férence les fibres ayant une grande élasticité telles que les fibres métalliques incluant les fibres en acier inoxydables ou les fibres nonmétalliques incluant les fibres au carbone. On va maintenant expliqué comment est réalisée la diffusion-liaison partielle entre les phases fibreu- ses par la soudure au cuivre. On insère un ensemble de fibres unidirection- nelles dans un moule résistant à la chaleur, tel qu'un tube en verre de quartz, de sorte que la densité volumi- que soit comprise dans un intervalle de valeurs prédé- terminé, avec un matériau de soudure au cuivre tel qu'un fil de cuivre. On place ensuite ce moule dans un four chauffant qui est maintenu dans une atmosphère de gaz réducteur ou inerte ou sous vide. On chauffe ensuite à température élevée les fibres unidirectionnelles et le fil de cuivre avec le moule, de sorte que les fibres soient imprégnées par le cuivre fondu par action capil- laire. Dans ce cas, la densité volumique du corps de for- me fibreuse ainsi formé est essentiellement égale à la densité voilumique des fibres obtenue quand les fibres sont insérées dans le moule. Dans la fabrication d'une bielle d'un moteur à combustion interne, par exemple, la densité volumique du corps de forme fibreuse en forme de tige pour ren- forcer la partie tige de la bielle est choisie de préfé- rence pour être comprise dans l'intervalle de 2,5 à 5,0 g/cc, ce qui est souhaitable du point de vue de la possibilité de mise en forme, de la stabilité et de l'affinité par rapport à la matrice. La soudure au cuivre peut impré- gner uniformément les phases fibreuses même avec une tel- le densité volumique élevée, de sorte qu'il est possible d'effectuer une diffusion-liaison partielle dans toute l'étendue du corps formé. Une densité volumique inférieu- re à 2,0 g/cc n'est pas souhaitable car, dans ce cas, la quantité de fibres est si petite qu'on ne peut pas former des intervalles d'une minute pour produire une action capillaire. Une densité volumique dépassant5,0 g/cc n'est pas souhaitable car une telle densité volumique élevée détériore défavorablement l'affinité du corps de forme fibreuse par rapport à la matrice. L'invention se propose aussi de former le corps de forme fibreuse à densité volumique élevée, adap- té pour renforcer le métal de matrice de la pièce méca- nique, constitué d'un ensemble de fibres inorganiques partiellement liées par diffusion par soudure au cuivre. Selon l'invention on obtient en outre la piè- ce mécanique constituée du métal de matrice et du corps de renforcement de forme fibreuse intégré dans le métal de matrice, ledit corps de renforcement de forme fibreu- se étant constitué d'un ensemble de fibres inorganiques au moins liées partiellement par diffusion par soudure au cuivre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la des- cription suivante, donnée à titre d'exemple non limita- tif,- en référence aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue de face en élévation et en coupe d'une bielle d'un moteur à combustion interne produit selon le procédé de la présente invention; Figure 2 est une vue en coupe prise le long de la ligne II-II de la Figure 1; Figure 3 est une vue en perspective représen- tant l'état d'insertion de fibres unidirectionnelles dans un moule conjointement avec la soudure au cuivre; Figure 4 est une vue microscopique représen- tant un corps de forme fibreuse; Figure 5 est une vue microscopique de la par- tie tige d'une bielle dans un plan de section transver- sale avec un grossissement de 540; et Figure 6 est une vue microscopique représen- tant la partie tige d'une bielle dans un plan de section transversale avec un grossissement de 1400. On va maintenant décrire un mode de réalisa- tion préféré de l'invention appliqué à la production d'une bielle pour un moteur à combustion interne. Sur la Figure 3, un faisceau de fibres compo- sé d'un ensemble de fibres en acier inoxydable f ayant chacune une section transversale polygonale de diamètre moyen d'environ 30 i, avec trois fils de cuivre W dispo- sés au centre du faisceau, chaque fil de cuivre ayant un diamètre d'environ 0,2 mm, est inséré dans un moule P constitué par un tube de quartz. On place ensuite le mou- le P dans un four chauffant qui est maintenu dans une atmosphère de gaz réducteur, tel que le gaz d'hydrogène. On chauffe le moule P contenant le faisceau de fibres et les fils de cuivre W à une température d'environ 12001C pendant 10 minutes et on le refroidit ensuite dans le four pour former un corps de forme fibreuse en forme de tige F. On examine sous microscope avec un grossisse- ment de 110 la structure de ce corps de forme fibreuse. La Figure 4 montre ainsi la structure du corps obtenu. Sur la Figure 4, les parties en saillie Pt autour de cha- que fibre et les point.s noirs S sont du cuivre. On voit que le cuivre imprègne uniformément le faisceau des fi- bres de la partie centrale (partie inférieure de la Fi- gure 4) à la partie périphérique (partie supérieure de la Figure 4) du faisceau de fibres pour réaliser une diffu- sion-liaison partielle de phases fibreuses dans toute l'étendue du corps de forme fibreuse. Cela signifie que le corps de forme fibreuse ainsi formé a une nature d'au- to-tenue ou stabilité élevée. Sa densité volumique est dans cet exemple de 2,65 g/cc. On place ensuite le corps de forme fibreuse ainsi formé dans une partie de cavité, correspondant la partie tige d'une bielle pour un moteur à combustion in- terne, dans un moule pour former la bielle. On procède ensuite au moulage pour une solidification à haute pres- sion comme on l'a mentionné plus haut en utilisant un al- liage à l'aluminium (JIS AC8B) comme alliage de matrice, pour obtenir une bielle C avec sa partie tige R renforcée par les fibres, comme elle est représentée sur les Figu- res 1 et 2. La partie tige R de la bielle C est coupée à angles droits par rapport à l'axe et la surface de cou- pe est examinée sous microscope avec des grossissements de 540 et 1400 et on obtient les résultats représentés sur les Figures 5 et 6. Sur la Figure 5, on voit que les c hacune fibres en acier inoxydables f ayast ne section transver- sale polygonale sont bien liées à la matrice M avec une affinité élevée. Sur la Figure 6, les zones T de forme essentiellement triangulaire et situées-entre des-fibres adjacentes sont le cuivre combiné avec l'alliage d'alumi- nium noir. Cette figure montre que les fibres fl,f2,f3 apparaissant dans la partie inférieure gauche, la partie inférieure droite et la partie supérieure droite sont partiellement liées même après le moulage, en raison de la présence de ces phases de cuivre de forme triangulaire. Comme on l'a décrit plus haut,conformément à l'invention, des phases fibreuses sont partiellement liées par diffusion par une soudure au cuivre, de sorte que la diffusion-liaison partielle puisse être réalisée unifor- mément.dans *toute l'étendue du corps de forme fibreuse même quand ce dernier a une densité volumique élevée. Il est donc possible d'obtenir un corps de forme fibreuse ayant une bonne stabilité ou une bonne nature d'auto-ré- sistance non seulement quand les fibres sont disposées unidirectionnellement mais également quand les fibres sont disposées bidirectionnellement ou de façon aléatoire. Puisque cette stabilité élevée du corps de forme fibreuse peut être maintenue même pendant l'opération de moulage pour une solidification à haute pression, il est possible de renforcer de manière appropriée la partie désirée de la pièce mécanique comme produit final. Ainsi, selon le procédé de l'invention, il est possible de produire une pièce mécanique ayant une résis- tance mécanique élevée à partir d'un matériau mixte ren- forcé par fibres. û2036 REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire une pièce mécanique d'un matériau mixte renforcé par fibres, caractérisé en ce qu'il consiste à former un corps de forme fibreuse (F) en effectuant une diffusion-liaison partielle d'un ensem- ble de fibres inorganiques (f) par une soudure au cuivre (W); et à former une pièce mécanique (C) d'un matériau mixte renforcé par fibres en intégrant le corps de forme fibreuse dans une matrice (M) par une solidification à haute pression. 10.2. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'opération consistant à former le corps de forme fibreuse est réalisée en plaçant les fibres inorga- niques dans un moule (P) résistant à la chaleur avec la soudure au cuivre à une densité volumique prédéterminée; et en chauffant le moule pour que la soudure au cuivre im- prègne des petits espaces entre des fibres adjacentes par action capillaire. 3. Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le moule a une atmosphère constituée par un gaz réducteur, un gaz inerte ou est sous vide. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que le corps de forme fi- breuse a une densité volumique comprise entre 2,0 g/cc et ,0 g/cc. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que les fibres inorganiques sont des fibres métalliques. 6. Procédé selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que les fibres métalliques sont constituées d'acier inoxydable. 7. Proc5dé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que les fibres inorgani- ques sont des fibres non-métalliques. B. Procédé selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que les fibres non-métalliques comprennent des 253203 6 fibres au carbone. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations I et 2, caractérisé en ce que la soudure au cui- vre est constituée par des fils de cuivre. 10. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les fibres sont disposées en faisceau et ont une section transversale polygonale avec un diamètre moyen d'environ 30p et la soudure au cuivre est sous la forme de fils de cuivre disposés au centre du faisceau et TO ayant un diamètre. d'environ 0,2 mm, 11. Corps de forme fibreuse auto-résistant adap- té pour former un renforcement dans un métal de matrice par solidification à haute pression, caractérisé en ce que le corps de forme fibreuse est constitué d'un ensem- ble de fibres inorganiques au moins liées partiellement par diffusion par une soudure au cuivre. 12. Corps de forme fibreuse selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce qu'il a une densité volumique comprise entre 2,0 g/cc et 5,0 g/cc. 13. Corps de forme fibreuse selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que les fibres inorganiques - sont des fibres métalliques incluant des fibres en acier inoxydable. 14. Corps de forme fibreuse selon la.revendica- tion 11, caractérisé en ce que les fibres inorganiques sont des fibres non-métalliques incluant des fibres au carbone. 15. Pièce métallique constituée d'un métal de matrice et d'un corps de forme fibreuse de renforcement intégré dans le métal de matrice, caractérisée en ce que le corps de forme fibreuse de renforcement est constitué d'un ensemble de fibres inorganiques au moins partielle- ment liées par diffusion par une soudure au cuivre. 16. Pièce mécanique selon la revendication 15, caractérisée en ce que le corps de forme fibreuse de ren- forcement est intégré dans le métal de matrice par une opération de moulage pour une solidification à haute pres- sion. 17. Pièce mécanique selon la revendication 16, caractérisée en ce que le corps de forme fibreuse de ren- forcement a une densité volumique comprise entre 2,0 g/cc et 5,0 g/cc. 18. Pièce mécanique selon la revendication T7, caractérisée en ce.que, ladite pièce mécanique étant une bielle pour un moteur à combustion interne, la bielle com- prend une partie tige dans laquelle est disposé le corps de renforcement.