Brevet FR2531644A1 — publié le 19840217

Procédé pour relier une pièce rapportée en un matériau céramique et susceptible de s'encastrer dans une pièce coulée en matériau métallique léger pour des moteurs à combustion interne. L'invention concerne un procédé pour relier à une pièce coulée en matériau mét allique léger, de préférence en un alliage d'aluminium du type Al Si 12 Cu Ni Mg, pour des moteurs à combustion interne, notamment pour leurs pistons, une pièce rapportée en un matériau céramique ayant un petit coefficient de conductibilité thermique, un petit coefficient de di- latation thermique et un petit module d'élasticité, susceptible de s'encastrer dans les zones très char- gées thermiquement des pistons et/ou pour l'isolation thermique. Dans les moteurs à combustion interne, les exigences de plus en plus grandes d'une puissance plus -élevée-par cylindre et d'une élévation de la tempéra- ture des gaz d'échappement, tout en limitant ou en diminuant la quantité de chaleur perdue évacuée par l'intermédiaire du système de refroidissement, conduiï- sent, pour mieux tirer parti de l'énergie du combus- tible par des mesures secondaires, comme par exemple un turbocompresseur à gaz d'échappement, d'une part à des charges thermiques élevées s'appliquant'sur les parties constitutives et exigent, d'autre part leur isolation thermique. Récemment, on a essayé, entre autres, d'empê- cher des sollicitations de ce type, ou du moins de les diminuer, en disposant des éléments protecteurs en matériau céramique sur des pièces constitutives en matériau métallique léger de moteurs à combustion interne, dans les zones chargées correspondantes. C'est ainsi, par exemple, que dans "Stang, J H: Designing Adiabatic Engine Components, SEA 780 069 ", on prévoit un piston en métal léger ayant un fond en céramique vissé et isolé,par rapport à la base, par des disques en acier Avec un tel piston en métal léger, on peut atteindre des températures de 9000 C sur le fond du piston Les inconvénients sont cependant les coûts de fabrication d'un élément de protection en céramique satisfaisant aux exigences de fabrication, ainsi que le volume mort relativement grand au-dessus des premières gorges de segments. On a connu aussi un piston en métal léger ayant une cuvette formant chambre de combustion ména- gée dans le fond du piston, et sur le bord de laquel- le est encastré, en vue de se protéger contre la char- ge thermique, un anneau en matériau céramique ayant un petit coefficient de conductibilité thermique (X = 2 W/m K), un petit coefficient de dilatation ther- mique (a 1,5 x 10 6/K) et un petit module d'élasti- cité (E = 2 x 10 N/mm), ayant une résistance à la pression suffisante, constitué en titanate d'aluminium (A 12 Ti O 5) et ayant une résistance à la fatigue thermi- que et une résistance aux chocs thermiques qui sont très bonnes Lors du retrait du matériau en métal léger, lors de la solidification après la coulée, il se crée, entre l'anneau en matériau céramique et le matériau en métal léger qui l'entoure, une liaison par contraction Par les efforts de compression qui en résultent, on assure l'ajustement serré de l'an- neau et on produit également des efforts de compres- sion dans l'anneau En raison des déformations du piston en métal léger, qui se produisent pendant le fonctionnement du moteur, il se produit dans la ré- gion du fond du piston aussi bien des efforts de traction que de compression, les efforts de traction se produisant dans l'anneau se superposant aux ef- forts de compression provenant de la liaison par retrait Tant que les efforts-de compression dans l'anneau sont plus grands que les efforts de traction, on est sûr que dans l'ensemble il ne se produira pas d'efforts de traction dans l'anneau, ou qu'il ne se produira que de petits efforts de traction dans l'anneau Ce comportement a une importance décisive pour l'aptitude de l'anneau à durer, puisque des maté- riaux en céramique peuvent, en général, supporter sans se rompre des efforts sensiblement plus grands à la compression qu'à la traction C'est ainsi, par exemple, que pour du titanate d'aluminium ne sont admissibles que des efforts de traction inférieurs à N/mm 2, tandis que l'on peut supporter sans rupture des efforts de compression représentant jusqu'à dix fois cette valeur Tant que les efforts de compres- sion sont suffisamment grands par rapport aux efforts de traction, on a une sécurité suffisante vis-à-vis de la rupture et du desserrement de l'anneau Mais cela n'est pas assuré pour des durées de fonctionne- ment assez longues du piston, puisque, pour les tempé- ratures supérieures à 250 'C se produisant dans le piston en métal léger, il se produit, après une durée de fonctionnement relativement brève, un relâchement des efforts de compression provenant de la liaison par retrait, qui entraîne le desserrement ou la rupture de l'anneau et qui porte ainsi atteinte au fonctionnement du piston en métal léger avec toutes ses conséquences nuisibles C'est ainsi qu'on a pu montrer, par exemple, sur un piston en métal léger coulé en un alliage d'aluminium du type Al Si 12 Cu Ni Mg et ayant un anneau en titanate d'aluminium encastré au bord de la cuvette formant chambre de combustion, que l'effort de compression initiale provenant de la liaison par retrait s'était abaissé 100 heures après de 60 N/mm 2 environrpour une dilatation cons- tante s'effectuant sous une température de 2500 C, à 20 N/mm Les efforts de traction élevés se produi- sant dans l'anneau en raison du processus de fluage et/ou de relaxation dans l'alliage d'aluminium provo- quent des fissures dans l'anneau et donc un desserre- ment de l'anneau, ce qui a pour résultat de porter préjudice au fonctionnement du piston C'est pour cette raison que l'on a renoncé, jusqu'ici, à encas- trer des pièces rapportées en matériau en céramique dans des zones très chargées thermiquement de pièces constitutives en matériau métallique léger de moteurs à combustion interne, et pour isoler thermiquement ces pièces. L'invention se donne pour but de procurer une liaison rigide entre des pièces rapportéesyen matériau céramique pouvant être encastrées dans des pièces constitutives en matériau métallique léger de moteurs à combustion interne, et les matériaux métalliques légers eux-mêmes. Le procédé suivant l'invention consiste à fretter sur la pièce rapportée, avant l'encastrement, un matériau métallique résistant au fluage et/ou à la relaxation au moins jusqu'à une température de 3000 C. Conviennent, pour le frittage, notamment des matériaux ferreux, mais de préférence de-la fonte aus- ténitique ayant la structure en lamelles du graphite, qui possèdent une résistance élevée au fluage et/ou à la relaxation, jusqu'à une température de 3500 C en- viron Les matériaux ferreux résistant au fluage et à la relaxation dans les conditions de fonctionnement assurent, pendant une longue durée de fonctionnemént, une liaison solide par retrait avec des efforts de compression élevés dans la pièce rapportée en un matériau céramique Avantageusement, on frette sur la pièce rapportée une partie extérieure de forme annu- laire en un matériau ferreux. Comme matériau céramique pour la pièce rapportée, on fait appel notamment au titanate d'alu- minium, mais on peut recourir aussi à des céramiques à base d'oxyde, de carbure, de nitrure, de borure et de siliciure, dont le coefficient de conductibilité thermique est inférieur à 10 W/m K, dont les coeffici- cients de dilatation thermique sont inférieurs à 10 x 10 6/K et dont le module d'élasticité ést infé- 4 2 rieur à 7 x 10 N/mm La pièce composite ainsi fabriquée constituée d'un matériau ferreux et d'un matériau céramiqueest disposée dans les moules de coulée pour la fabrication des pièces en matériau métallique léger de moteurs à combustion interne et est encastrée, d'une manière connue, en l'ancrant avec le matériau en métal léger et/ou en la reliant par une couche intermédiaire intermétallique Dans ce dernier cas, la pièce compo- site refondue est réchauffée entre 700 et 750 'C dans un bain de métal léger, avec formation d'un revête- ment de Fe 2 A 15 et au-dessus d'aluminium pur; on effectue ensuite la coulée avec le matériau métalli- que léger. L'invention est représentée à titre d'exemple au dessin et est explicitée, d'une manière plus pré- cise dans ce qui suit: la figure 1 représente un piston 1 coulé en un matériau métallique léger,ayant une cuvette 3 for- mant chambre de combustion,qui est ménagée sur le fond du piston 2 et dans laquelle est encastrée une pièce composite 4, constituée d'une partie inférieure 5 en matériau céramique#en forme de pot et d'une partie extérieure 6 annulaire,en acier,frettée sur le pour- tour extérieur de la partie intérieure. Suivant la figure 2, une pièce composite 12 formée d'une partie intérieure 10 den matériau cérami- que et en forme de cylindre creux, et d'une partie extérieure 11 annulaireen fonte austénitique spécia- le, frettée sur le pourtour extérieur de la partie intérieureest encastrée dans la cuvette 9 formant chambre de combustion se trouvant dans le fond 7 du piston 8 coulé en un matériau métallique léger La partie extérieure 11 est reliée au matériau métalli- que léger par l'intermédiaire d'une couche composite 13 intermétallique. Suivant la figure 3, la pièce composite 17 est encastrée dans la cuvette 16 formant chambre de combustion se trouvant dans le fond 14 du piston 15 coulé en un matériau métallique léger et est consti- tuée d'une partie intérieure 18 en forme de cylindre creux et en matériau céramique, et d'une partie exté- rieure 19 en fonte austénitique spéciale, frettée sur la face latérale extérieure de la partie intérieure 18 La partie inférieure 19 est d'une pièce, par l'intermédiaire des bras 20, avec le porte-segments 21 qui est constitué en le même matériau, le porte- segments 21 étant relié dans la région des bras 20 au matériau métallique léger, par l'intermédiaire d'une couche composite 22 intermétallique. La figure 4 reproduit un mode de réalisation particulier de l'invention Le fond 23 du corps de piston 24 coulé en un matériau métallique léger est formé de la partie intérieure 26 en matériau céramique, qui présente la cuvette 25 formant chambre de combus- tion, dont le pourtour est en retrait par rapport à la surface latérale du corps de piston 24 et sur la- quelle est emmanché à chaud, par frettage, un anneau en acier 27 Dans l'anneau en acier 27 est ménagée la- première gorge de segment 28 La liaison entre la partie-inférieure 26 et le corps de piston 24 s'effec- tue soit par l'intermédiaire d'une couche composite 29 intermétallique-se trouvant entre le corps de pis- ton 24 et la section de l'anneau d'acier 27 en retrait du côté de la jupe du piston (moitié gauche de la figure 4), ou-par complémentarité de formes, au moyen d'une bride extérieure 30 disposée sur la section de l'anneau en acier 27 >,qui est en retrait du côté de la jupe du piston (moitié droite de la figure 4) En con- formant ainsi le piston, on diminue le volume mort et on empêche qu'il se forme de la calamine dans la zone de feu. REVENDICAT IONS 1 Procédé pour relier à une pièce coulée en matériau métallique léger, de préférence en un allia- ge dllumiil-a-auype A 13112 'u N Tig p dsmter à combustion interne, notamment pour leurs pistons, une pièce rapportée en un matériau céramique ayant un petit coefficient de conductibilité thermique, un petit coefficient de dilatation thermique et un petit module d'élasticité, susceptible de s'encastrer dans les zones très chargées thermiquement des pistons et/ ou pour l'isolation thermique, caractérisé en ce qu'il consiste à fretter sur la pièce rapportée ( 5, , 18, 26), avant l'encastrement, un matériau métal- lique résistant au fluage et/ou à la relaxation. 2 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il consiste à fretter sur la pièce rapportée ( 5, 10, 18, 26) un matériau métallique ré- sistant au fluage et/ou à la relaxation, jusqu'à au moins 3000 C. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à fretter sur la pièce rapportée, de préférence du matériau ferreux, notamment de la fonte de moulage ayant la structure en lamelles du graphite. 4 Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser, pour la pièce rapportée ( 5-, 10, 18, 26), un matériau en céramique ayant un cbefficient de conduc- tibilité thermique inférieur à 10 W/m K, un coefficient de dilatation thermique inférieur à 10 x 10 6/K et un 4 2 module d'élasticité inférieur à 7 x 10 N/mm 2 Procédé suivant la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il consiste à utiliser, comme maté- riau céramique, du titanate d'aluminium, de préférence sous forme d'un anneau ( 6, 11, 19, 27).