Brevet FR2528910A1 — publié le 19831223

CHEMISES DE MOTEURS A BASE D'AlLIAGES D'AlUMINIUM ET DE GROINS DE SILICIu4 CALIBRE5 ET IEtllE PDES D'OBTENTION La présente invention est relative à des chemises de moteurs à explosion ou à oontustion interne dont la structure présente des grains de silicium calibrés et dispersés dans une matrice d'un alliage d'aluminium-silicium eutectique. Elle concerne également quelques uns des procédés d'obtention de ces chemises. Les chemises de moteurs à base d'aluminium ne sont pas nouvelles mais leur utilisation a toujours posé des problèmes de compatibilité de leur surface de travail avec les éléments de moteurs tels que les pistons qui sont en contact avec elle. On a cherché à pallier les difficultés rencontrées de différentes façons telles que prévoir un chemisage en acier, revêtir la surface de l'alésage du cylindre de métaux plus durs comme le fer ou le chrome, sans toutefois pouvoir les surmonter complètement. Puis, on s'est tourné vers des alliages ayant une meilleure tenue mécanique tels que les aluminiumrsilicium hypereutectiques mais on s'est alors aperçu que les cristaux de silicium primaire qui apparaissent lors du moulage de la chemise avaient, du fait de leur taille relativement grande et de leur forme anguleuse, une tendance fâcheuse à rayer la surface des pistons et on a été ainsi amené à protéger la surface de ces derniers par un revêtement. C'est alors que, voulant néanmoins bénéficier de certains avantages apportés par les AS hypereutectiques, on a cherché à changer la structure de ces alliages notamment au niveau des grains de silicium pour essayer de leur conférer la compatibilité nécessaire sans avoir recours à des traitements de surface ultérieurs. Parmi les tentatives faites, il faut citer - d'une part, toutes celles consistant à modifier la structure de coulée telles que celles décrites dans le brevet français 1 441 860 où on pro cède à une attaque acide de la matrice d'aluminium de manière à mettre en relief les grains de silicium puis on réalise un polissage de ces grains, - d'autre part, celles visant à obtenir une nouvelle structure de coulée. C'est le cas du brevet français 2 235 534 dans lequel la chemise est moulée dans des conditions de refroidissement telles qu'elle ne présente aucune phase de silicium primaire mais au contraire des particules fi breuses ou sphéroidisées de dimensions inférieures à 10 pm. Plus récemment, la demanderesse dans son brevet 2 343 895 s'est aussi tournée vers une nouvelle structure d'A-S hypereutectiques mais en substituant au procédé de coulée celui du filage de poudres obtenues par ato- misation. Une telle technique présente, en effet, l'avantage de mettre en oeuvre des poudres formées avec une grande vitesse de refroidissement et dans lesquelles les grains de silicium primaire ont une taille relativement petite et en tout cas inférieure à celle résultant de la coulée classique. Cette taille n'est pas modifiée par le filage et on obtient ainsi une nouvelle structure présentant des particules de silicium fines et bien réparties qui améliorent sensiblement la compatibilité de la chemise avec le piston. Toutefois, au cours d'essais dans des conditions particulièrement sévères, on observe néanmoins une détérioration de la chemise. A la suite d'une étude poussée du phénomène, on a alors constaté qu'il était lié à la trop grande finesse des grains de silicium. A partir de ces résultats, la demanderesse a pris conscience qu' il était possible d'améliorer encore cette compatibilité. C'est pourquoi, elle a élaboré des chemises dont la structure présente des grains de silicium soigneuse- ment calibrés dans une fourchette de granulométrie relativement étroite, se situant en moyenne au-dessus du maximum ayant conduit à un mauvais comportement et en-dessous de celle trop grossière des produits coulés. La présente invention concerne donc une chemise de moteur à combustion interne à base d'un alliage d'aluminium-silicium eutectique contenant éventuellement d'autres éléments et caractérisée en ce què sa structure présente une distribution de grains de silicium calibrés de dimensions comprises entre 20 et 50 pm. Ainsi, cette chemise est celle constituée par une matrice en alliage d'aluminium-silicium eutectique, ctest-à-dire contenant environ 12 % de silicium et dans laquelle n'apparaît aucun grain de silicium primaire. Cet alliage peut éventuellement contenir d'autres éléments d'addition qui contribuent à améliorer ses caractéristiques mécaniques ou certaines pro piétés en relation avec le ooqpartement au frottement ou à l'usure. Dans cette matrice, sont distribués des grains de silicium calibrés, c'est--dire répandant à une oourbe de granulométrie la plus resserrée possible et dont les dimensions sont de toute façon comprise entre 20 et 50 p; Sont ainsi exclues toutes les particules fines de silicium ainsi que les grains de trop grande taille qui contribuent à diminuer la compatibilité recherchée. De plus, pour obtenir un compromis favorable entre les qualités apportées d'une part par la matrice, d'autre part par les grains de silicium, on a pu constater qu'une proportion en poids de 5 à 15 % de grains de silicium par rapport à la masse de la chemise convenait très bien. Ces grains de Silicium ont une pureté supérieure à 99,5 % et de préférence une teeeur en calcium inférieure à 300 ppPn. Ils peuvent éventuellement être traités pour en éliminer le fer. Leur faciès est différent en fonction du mode d'obtention. Ainsi, on peut avoir non seulement des grains classiques préparés par broyage et tamisage, mais également des grains fabriqués par pulvérisation de silicium liquide qui présentent un contour plus arrondi. En ce qui concerne la matrice en alliage d'aluminium-silicium, on fait appel de préférence à des alliages eutectiques du type A-S12U4G, c'est-àdire renfermant des éléments tels que le cuivre et le magnésium ayant pour effet d'aweliorer la tenue mécanique. En outre, on favorise les propriétés de frottement des chemises par la présence d'adjuvants carme du graphite ou de tout autre corps jouant un r8le équivalent. De préférence, on utilise un graphite artificiel de type granulaire, forme s'intégrant bien physiquement aux autres oonposants de la chemise. La proportion la plus convenable se situe entre 3 et 10 t en poids de la nasse au sein de laquelle il est dispersé. L'invention concerne également quelques uns des procédés d'obtention de telles chemises. les procédés décrits possèdent une phase commune consistant à diviser l'alliage d'aluminlum-silicium eutectique à partir de l'étant liquide en une poudre. Ceci est obtenu par tous procédés existants calme par exemple la pulvérisation centrifuge, l'atomisation, etc...Cette poudre est alors tanisée rour en éliminer les particules de dimensions non comprises entre 60 et 400 lyn puis mélangée à des grains de silicium de granulométrie comprise entre 20 et 50 Wn et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 % en poids de la masse de la chemise ; on y ajoute éventuellement 3 à 10 % en poids de graphite ou tout autre élément susceptible d'améliorer la qualité de la chemise tels que le carbure de silicium pour augmenter sa dureté ou l'étain pour la rendre plus apte au frottement. Un tel mélange peut alors être traité de deux façons différentes, soit par frittage, soit par filage. Dans le cas de frittage, le mélange de poudres est mis en forme par pression à froid dans une presse verticale ou isostatique, puis frittée sous atmosphère contrôlée. na chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables. Dans le cas de filage, le mélange est comprimé à froid sous forme de billette ou chargé directement dans le pot d'une presse puis filé sous forme de tube après un éventuel préchauffage à l'abri de l'atmosphère. le matériel de filage utilisé est bien connu de l'hcome de l'art. I1 peut s'agir, soit d'un outillage à pont, soit d'un ensemble filière plateaiguille flottante. le tube ainsi obtenu à la sortie de la presse est dressé, tronçonné à la longueur des chemises et ces dernières sont ensuite usinées. I1 est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sortant de la filière puis de procéder à un traitement thermique de revenu entre 160 et 1900 C pendant 8 à 16 heures, de façon à améliorer les propriétés mécaniques de la chemise fabriquée. le mélange peut aussi être comprimé sous forme de pions que l'on soumet à un filage inverse de manière à former des godets dont on tronçonne ensuite le fond et le bord opposé pour recueillir des chemises qui sont ensuite usinées. I1 est également possible d'effectuer une trempe directe des godets après filage. les chemises faisant objet de l'invention trouvent leur application notam nent dans l'industrie de l'autooobile et dans tout genre d'industrie où l'on cherche à disposer d'ensemble chemise-piston de bonne compatibilité à partir d'alliages d'aluminium. REVENDICATIONS 10/ Chemise de moteur à combustion interne à base d'un alliage d'aluminiumr silicium eutectique et éventuellement d'autres éléments, caractérisée en ce que sa structure présente une distribution de grains de silicium calibrés de dimensions comprises entre 20 et 50 pm. 2 / Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de silicium représentent 5 à 15 % de la masse de la chemise. 30/ Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de silicium ont le faciès de particules résultant d'un broyage. 40/ Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les grains de silicium ont le faciès de particules résultant de la solidification d'un liquide pulvérisé. 50/ Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage aluminium-silicium eutectique est un A-S12U4G. 60/ Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que parmi les autres éléments figure le graphite. 70/ Chemise suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la teneur en graphite de la chemise est comprise entre 3 et 10 %. 80/ Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminiumesilicium eutectique est divisé à partir de l'état liquide en une poudre de dimensions comprises entre 60 et 400 pm, puis mélangé à des grains de silicium de granulométrie comprise entre 20 et 50 pm et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 % en poids de la masse de la chemise, auxquels on ajoute éventuellement 3 à 10 % de graphite en poudre. 90/ Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le mélange de poudres et de grains est mis en forme par compression à froid, puis fritté sous atmosphère contrôlée. 10D/ Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le mélange de poudres et de grains est filé dans une presse appartenant au groupe constitué par les presses à aiguille flottante et à outillage pont et le produit obtenu tronçonné à la longueur voulue après dressage. 11 / Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 10, ca ractérisé en ce que le produit filé est trempé à la sortie de la presse puis soumis à un traitement thermique de revenu entre 160 et 1900 C pendant 8 à 16 heures. 12 / Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 8, Ca- ractérisé en ce que le mélange est comprimé sous forme de pions puis soumis à un filage inverse, de manière à former un godet dont on tronçonne le fond et le bord opposé. $3 / Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 12, caractérisé en ce que l'on effectue une trempe directe des godets après filage.