Brevet FR2537655A1 — publié le 19840615

-1- CHEMIUSES DE IXVEURS A BASE D'ALLIAGES D'AL Ut INIUM ET DE COMPOSES INTERM r ALLIQUES ET LEURS PRRCEDES D'OBTENTION La présente invention est relative à des chemises de moteurs à explo- sion ou à combustion interne dans lesquelles on trouve une ma- trice à base d'alliages d'aluminium à haute résistance mécanique, obtenue par métallurgie des poudres 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 elles 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 mé- canique tels que les aluminium-silicium hypereutectiques, mais on s'est alors aperçu que les cristaux de silicium primaire, qui appa- raissent 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 pro- téger la surface de ces derniers par un revêtement. C'est alors que, voulant néanmoins bénéficier de certains avantages apportés par les A-S hypereutectiques, on a cherché à changer la structure de ces alliages, notamnent au niveau des grains de silicium pour essayer de leur conférer la campatibilité nécessaire sans avoir recours à des traitements de surface ultérieurs des pistons Parmi les tentatives faites, il faut citer: d'une part, toutes celles consistant à modifier la structure de cou- lée telles que celles décrites dans le brevet français 1 441 860 o on procède à une attaque acide de la matrice d'aluminium de manière à mettre en relief les grains de silicium, puis on réalise un -2- 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 fibreuses ou sphéro Idisées de dimen- sions inférieures à 10 îm. 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 atomisation 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 sili- cium 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 aisni une nouvelle structure présentant des particules de silicium fines et bien ré- parties, qui améliorent sensiblement la compatibilité de la chemise avec le piston. Toutefois, au cours des essais dans des conditions particulièrement sévères de température, on observe néanmoins une détérioration de la chemise ainsi réalisée. A la suite d'une étude approfondie du phénomène, la demanderesse a constaté que cette mauvaise tenue était dûe à des collages ponctuels entre chemise et piston. Poussant plus loin ses recherches, elle a repris en considération les critères d'une bonne compatibilité, à savoir: une dureté convenable du matériau de la chemise pour avoir une ré- sistance suffisante à l'usure tout en évitant l'apparition de rayures, un coefficient de frottement relativement faible pour faciliter les mouvements relatifs des pièces l'une par rapport à l'autre, -3- une aptitude au non collage des matériaux entre eux pour empêcher toute détérioration de surface. En examinant les différentes solutions de Part antérieur, elle en a déduit que, si la fonction dureté était plus ou moins bien accomplie par les particules de silicium primaire, si la fonction frottement avait été réalisées par l'adjonction de certains lubrifiants tels que le graphite par exemple, par contre, la fonction de non-collage n'avait pas trouvé de solution intéressante parmi les moyens utili- sés jusqu'à present. C'est pourquoi, la demanderesse s'est particulièrement penchee sur le problème de trouver un agent de non-collage adéquat. Elle a finalement abouti à la mise au point de chemises de moteurs dans lesquelles on trouve une matrice à base d'alliages d'aluminium à i haute résistance mécanique obtenue par métallurgie des poudres et, éventuellement, d'autres éléments, et caractérisée en ce qu'elles con- tiennent une dispersion de grains d'au moins un composé intermétalli- que distincte de celle de tels composés susceptibles d'exister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure à 700 C. Ainsi, la présente invention consiste-t-elle en une chemise en maté- riau composite, dans laquelle on trouve dispersés dans une matrice à base d'alliages d'aluminium à haute résistance mécanique des grains d'intermétallique, c'est-à-dire d'un composé chimique de deux ou plusieurs métaux ayant son propre systèema cristallin. Il faut souligner que cette dispersion est différente du point de vue structure et/ou composition de celle qui pourrait être présente dans la matrice en alliage d'aluminium En effet, il est possible que cette matrice contienne certains éléments susceptibles de former en- tre eux des composés intermétalliques au cours de son élaboration par métallurgie des poudres, mais ces composés appartiennent à la structure même de l'alliage et n'ont donc rien à voir avec les -4- composés de 1 ' invention. La demanderesse a, en effet, trouvé que la présence d'un tel compo- sé dans la srructure d'une chemise à matrice en alliage d'aluminium avait pour propriété de réduire fortement, sinon, de supprimer la tendance de la chemise à se souder localement au piston lorsque certaines limites de température sont dépassées Outre ses propriétés non collantes, il s'est avéré au cours des es- sais que ces composés permettaient de créer, à la manière des grains de silicium, des points durs dans la chemise et de renforcer ainsi sa tenue à l'usure, de sorte qu'on pouvait se passer de la présence de silicium primaire. De plus, on a remarqué que ces composés présentent également un bon coefficient de frottement; ils peuvent jouer ainsi le rôle de lu- brifiant soit par eux-mêmes, soit en association avec le graphite, auquel cas ils exacerbent ce type de propriété " Parmi les composés intermétalliques étudiésg le Ni 3 Sn, dans lequel trois atomes de nickel sont combinés à un atome d'étain pour former des cristaux du type hexagonal, se rontre particulièrement performant à la fois dans ses fonctions d'agent de "non-collage", de lubrifiant et de produit résistant à l'usure. De tels composés sont répartis régulièrement dans la masse de la che- mise sous forme de grains Cependant, pour développer pleinemant leurs effets, ces grains sont de préférence calibrés, c'est-à-dire qu'ils répondent à une courbe de granulométrie le plus resserrée possible, et dont les dimensions sont de toute façon comprises entre et 50 pm On exclut ainsi, d'une part, les grains trop fins qui conduisent au grippage des outillages de fabrication des chemises, d'autre part, les grains trop gros qui provoquent l'augmentation du coefficient de frottement. Pour obtenir un compromis favorable entre les avantages apportés par -5- chacun des composants de la chemise, on a constaté que la propor- tion de grains du composé intermétallique devait être comprise en- tre 5 et 15 % de la masse de la chemise. Ces grains peuvent présenter un faciès différent en fonction de leur nmode d'obtention C'est ainsi qu'on peut avoir, non seulement des grains préparés par broyage, mais également des grains fabriqués par pulvérisation du composé à l'état liquide, qui présentent, de ce fait, un contour plus arrondi. En ce qui concerne la matrice en alliage d'aluminium, on utilise un alliage à haute résistance mécanique, de préférence soit du type A-512 contenant des éléments cormme le cuivre et le magnésium tels que les A512 UG o le cuivre peut varier de 1 à 5 % en poids, soit de la série des 7 000 tels que les A-ZGU auxquels on a ajouté 1 à 12 % de silicium en poids On peut citer, par exemple, l'A-512 U 4 G ou l'A-512 Z 5 GU. Dans le cas o on veut renforcer les propriétés lubrifiantes de la chemise, sa structure peut présenter des matériaux adéquats tels que le graphite notamment, dont la teneur en poids est alors comprise entre 3 et 10 %. L'invention concerne également quelques-uns des procédés d'obtention de ces chemises. Les procédés décrits possèdent une phase commune consistant à divi- ser la matrice en alliage d'aluminium de haute résistance à partir de l'état liquide en une poudre Ceci est obtenu par tous procédés exis- tants comne, par exemple, la pulvérisation centrifuge, l'atomisation, etc Cette poudre est alors tamisée pour en éliminer les particules de dimensioas non comprises entre 60 et 400 pm, puis mélangée à des grains de composé intermntallique de granulométrie comprise entre 5 et 50 pm 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 les -6- propriétés lubrifiantes Apres homogénéisation convenable, un tel mélange peut alors être traité de deux façons différentes, soit par frittage, soit par filage. Dans le cas de frittage, le mélange des poudres est mis en forme par compression à froid dans une presse verticale ou isostatique, puis frittée sous atmosphère contrôlée La chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables. Dans le cas de filage, le mélange est comprimé à froid sous forme de billettes ou chargé directement dans le pot d'une presse, puis filé sous forme de tube après un éventuel préchauffage à l'abri de l'at- mosphère. Le matériel de filage utilisé est bien connu de l'homme de l'art Il peut s'agir, soit d'un outillage à pont, soit d'un ensemble filière plate-aiguille flottante Le tube ainsi obtenu à la sortie de la presse est dressé, tronçonné à la longueur des chemises et ces der- nières sont ensuite usinées. Il est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sor- tant de la filière, puis de procéder à un traitement thermique de re- venu, de façon à améliorer les propriétés mécaniques de la chemise fabriquée. Le mélange peut aussi être comprime sous forme de pions que l'on sou- met à un filage inverse de manière à former des godets dont on tron- çonne ensuite le fond et le bord opposé pour recueillir des chemises qui sont ensuite usinées Il est également possible d'effectuer une trempe directe des godets après filage. Les chemises faisant l'objet de l'invention trouvent leur application notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'in- dustrie o l'on cherche à disposer d'ensembles chemise-piston de bon- ne compatibilité à partir d'alliages d'aluminium. -7- REVENDICATIONS 1 / Chemises de moteurs dans lesquelles on trouve une matrice à base d'alliages d'alminium à haute résistance mécanique, obtenue par métallurgie des poudres et, éventuellemant, d'autres éléments, caractérisées en ce qu'elles ccntiennernt une dispersion de grains d'au tmoins un cofposé intermetalliqus distincte de celle de tels composés susceptibles d'exister au sein de l'alliage et dont la temperature de fusion est supérieure à 700 Co 2 / Chemises selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composé intermftallique est le Ni 35 no 3 / Chemises selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composé intermétallique se présente sous forme de grains calibrés de dimansions comprises entre 5 et 50 m n 4 / Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que les grains de composé intermétallique représentent 5 à 15 % de la masse de la chemise. 5 / Chemises selon la revendidation 1, caractérisées en ce que les grains de composé intermétallique ont le faciès de particules résul- tant d'un broyage. 6 / Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que les grains de composé intermétallique ont le faciès de particules résul- tant de la solidification d'un liquide pulvérisé 7 / Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce 1 al laal- liage d'aluminium constituant la matrice appartient au groupe consti- tué par les alliages du type A-512 UG et les alliages de la série 7 000 auxquels on a ajouté de 1 à 12 % de silicium. 8 / Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que, parmi les autres éléments, figure le graphite. -8- 9 / Chemises selon la revendication 8, caractérisées en ce que la teneur en graphite de la chemise est comprise entre 3 et 10 % en poids. 10 / Procédé de fabrication de chemises selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium à haute résistance néca- nique est divisé, à partir de l'état liquide, en une poudre de di- mensions comprises entre 60 et 400 pm, puis mélangé à des grains de composé intermétallique de granulométrie comprise entre 5 et 50 Pm et en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 % en poids de la Mas- se de la chemise, auxquels on ajoute, éventuellement, 3 à 10 %O de graphite en poudre. 11 / Procédé de fabrication de chemises, selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mélange de poudres et de grains est mis en forme par compression à froid, puis fritté sous atmosphère contrôlé. 12 / Procédé de fabrication de chemises, selon la revendication 10, 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 à pont, et le produit obtenu tronçonné à la longueur voulue après dressage. 13 / Procédé de fabrication de chemises, selon la revendication 12, caractérisé en ce que le produit filé est trempé à la sortie de la presse, puis soumis à un traitement thermique. 14 / Procédé de fabrication de chemises, selon la revendication 10, caractérise 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 o / Procédé de fabrication de chemises, selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'in effectue une trempe directe des godets après filage.