Brevet FR2546570A1 — publié le 19841130

PISTON EN ALLIAGE LEGER A RENFORCEMENT PAR FIBRES POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, ET PROCEDE POUR RENFORCER LEDIT PISTON La présente invention se rapporte à un piston en alliage léger renforcé par des fibres et équipant un moteur à combustion interne, ainsi qu'à un procédé pour renforcer ledit piston. Jusqu'à présent, on a produit des pistons de ce type, dans lesquels les surfaces internes des gorges des segments de compression sont renforcées par des fibres d'alumine afin d'améliorer la résistance à l'usure à chaud de ces gorges de segments. Les structures cristallines de fibres d'alumine diffèrent en fonction de leurs procédés de fabrication, de leurs traitements pyrolytiques, etc, et de nombreuses variétés sont connues en tant que type y/S A 12031 type 6/e A 1203, type ê/c -A 1203, type &/ot A 120, etc. En utilisant dés fibres d'alumine présentant des structures cristallines des types susmentionnés, les inventeurs ont renforcé les surfaces internes de gorges de segments de compression de pistons en alliages légers, puis ils ont examiné ces pistons Cet examen a mis en - évidence le fait que les fibres d'alumine ayant les struc- tures cristallines précitées ne sont pas toutes efficaces pour améliorer la résistance à l'usure à de fortes tempé- ratures, mais que seules sont efficaces les fibres d'alumine possédant certaines structures cristallines et certaines densités. La présente invention se fonde sur ces résultats et elle a pour objet de proposer un piston en alliage léger dont les gorges des segments de compression manifestent une résistance à l'usure à-chaud notablement améliorée, ce piston étant caractérisé par le fait que la partie des fibres d'alumine se trouvant au moins dans la région des ouvertures desdites gorges des-segments présente une structure cristalline du type 0/at A 1203, la densité de ces fibres étant choisie entre 3,7 et 3,9. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'une premiè- re forme de réalisation de l'invention; la figure 2 est un graphique mettant en évidence les relations entre la densité, la résistance à la traction et la part de ct A 1203 renfermée, par rapport aux taux de cristallisation des fibres d'alumine; la figure 3 est un graphique montrant les relations qui existent entre l'ampleur de l'usure et la résistance à la traction par rapport aux taux de cristallisation des premières gorges des segments de compression de pistons en alliages légers renforcés par des fibres; la figure 4 est une vue en perspective illustrant le procédé de traitement thermique d'un corps confectionné en fibres; et la figure 5 est une coupe longitudinale fragmentaire à échelle agrandie d'une seconde forme de réalisation selon l'invention. En observant tout d'abord la figure 1, on voit un piston 1 en alliage léger renforcé par des fibres d'alu- mine et présentant une nervure 3, ainsi que des première et seconde gorges annulaires 41 et 42 de segments de compression Dans cette forme de réalisation, la struc- ture cristalline de toutes les fibres d'alumine d'une partie F renforcée par les fibres est du type 0/e A 1203, la densité de ces fibres étant comprise entre 3,7 et 3,9. Parmi les fibres d'alumine mentionnées dans le tableau ci-après, les classes IV et V sont utilisées dans la présente invention, les autres classes étant citées à titre de comparaison. Classe trtue Taux de Poretg de Strture cristallisation Densité pondérai de fbecristalline M a Ai 2 O renfermé I T/S A 12 03 75 3-12 4 II 6/e Ai 203 79 3,3 7 III O/a A 203 89 3,6 18 IV 0/ci A 1203 92 3,7 20- V O/CL Ai 203 97 3 '9 30 VI c/a Al 20 approx 4 approx. 23 100 100 La figure 2 montre les relations existant entre la densité, la résistance à la traction et la part de at- A 1203 renfermée par rapport au taux de cristallisation pour des fibres d'alumine des classes I à VI, la zone hachurée du graphique illustrant la plage des classes IV et V utilisées dans la présente invention. On a procédé à la fabrication et à la comparaison mutuelle de pistons P 4 et P 5 en alliages légers comportant des fibres d'alumine des classes IV et V selon la présente invention, ainsi que de pistons Pl à P 3 et P 6 en alliages légers équipés de-fibres d'alumine des autres classes I à III et VI Chacun des pistons Pl à P 6 a été obtenu par solidification résultant d'une coulée sous pression après que les fibres d'alumine correspondantes des classes I à VI eurent été utilisées pour former des corps cylindriques d'un diamètre externe de 74 mm, d'un diamètre interne de 56 mm, d'une longueur de 13 mm et d'une densité volumique de 0,15 g/cm, puis placées dans la cavité-d'un moule en utilisant, en guise de matrice, un alliage d'aluminium du type JIS AC 8 B. La figure 3 montre les relations existant entre la résistance à la traction et l'ampleur de l'usure après des tests au banc d'endurance, par rapport au taux de cristallisation des fibres d'alumine de la première gorge 4 de segment de chacun des pistons Plà P 6 en alliages légers, la zone hachurée correspondant à la présente invention Les tests d'endurance ont été menés en utili- sant à chaque fois des moteurs de 1,2 1 dotés des pistons Pl à P, avec un carburant au plomb et sous une pleine charge de 5000 tr/mîn, pendant 400 heures. Il ressort clairement de la figure 3 que les gorges 41 des segments de compression des pistons P 4 et P 5 con- formément à la présente invention (c'est-à-dire les pistons comportant des fibres d'alumine des classes IV et V présentant une structure cristalline du type /c A 1203, un taux de cristallisation compris entre 92 % et 97 %, une densité de 3,7 à 3,9 et renfermant de 20 % à 30 % en poids de A 1203) accusaient une usure extreme- ment faible et présentaient une grande résistance à la traction. Ainsi, il s'est confirmé que, avec des fibres d'alumine des classes IV et V présentant une structure cristalline du type 8/ A 203 et une densité supérieure à 3,9, c'est-à-dire un taux de cristallisation excédant 97 %, la part de C A 1203 dure et cassante renfermée augmente, et donc que l'ampleur de l'usure est réduite dans la première gorge 4, mais que la résistance de cette dernière à la traction décroît brusquement, ce qui détériore l'ouverture de cette première gorge 41. I 1 s'est également confirmé que, si la densité se situe en deçàa de 3,7 ({c'est-à-dire si le taux de cristallisation est inférieur à 92 %), la résistance de la première gorge 41 à la traction augmente, mais la part de a A 1203 renfermée diminue commne représenté dans le cas du piston P 3 sur la figure 3, ce qui fait que l'ampleur de l'usure crolt rapidement. Pour les pistons P 1, P 2 et P 6 en alliages légers cités à titre de comparaison, il s'est avéré que ni l'ampleur de l'usure ni la résistance à la traction ne satisfont aux valeurs nécessaires pour des pistons en alliages légers, à cause des diffeérences de structure cristalline et de densité relative, c'est-à-dire de taux de cristallisation. Les fibres d'alumine des classes IV et V utilisées dans la présenteinvention sont des fibres d'alumine modifiées résultant d'un traitement thermique de fibres classiques Des fibres d'alumine classiques sont produi- tes en les filant à des températures relativement basses en utilisant différents sels et solvants, en les cristal- lisant par traitement pyrolytique, puis en ajustant les grains cristallins, le taux de cristallisation et le contenu en " A 1203 pour obtenir, par exemple, une densité de 3,2 à 3,7, un taux de cristallisation de 75 % à 92 % et une part en oc A 1203 comprise entre 4 % et % en poids. Deux procédés peuvent être utilisés afin de modifier les fibres d'alumine classiques précitées L'un de ces procédés consiste à traiter thermiquement une matière sous forme d'ébauche, l'autre procédé consistant à chauffer extérieurement un corps f de configuration cylindrique enfilé sur un mandrin 5, comme représenté sur la figure 4. Dans le premier cas, toute la matière subit une modifica- tion sensiblement uniforme, si bien qu'un corps cylindri- que moulé à partir de cette matière peut renforcer la nervure 3 et l'intégralité des surfaces internes des gorges 41 et 42 des segments de compression du piston en alliage léger de la figure 1, tout comme dans la - réalisation précédente. Dans le second cas en revanche, il est difficile de chauffer uniformément l'intégralité du corps f Il en résulte qu'une région circonférentielle externe fa est complètement modifiée, mais qu'une région circonféren tielle interne fb n'est pas suffisamment modifiée. Néanmoins, dans des pistons en alliages légers, c'est dans les ouvertures des première et seconde gorges 41 et 42 que la résistance à l'usure à chaud est importante. De ce fait,le corps f peut être utilisé pour renforcer les ouvertures desdites première et seconde gorges 41 et 42 par sa région circonférentielle externe fa (voir la 254657 T O figure 5). Comme il ressort de ce qui précède, la présente in- vention propose un piston en alliage-léger renforcé, dans lequel la résistance à l'usure à chaud dans i'ouver- ture des gorges des segments de compression est notablement améliorée grâce à un choix adéquat de la structure cristalline et de la densité des fibres d'alumine employées dans les ouvertures desdites gorges. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent 1 o être apportées au piston et au procédé décrits et repré- sentés,sans sortir du cadre de l'invention. 254657 O REVENDICATIONS 1 Piston en alliage léger renforcé par des fibres, équipant un moteur à combustion interne et comportant un corps ( 1) en alliage léger dans lequel est élaborée une gorge ( 4 4 de segment de compression présentant une surface interne, piston caractérisé par le fait qu'il possède, sur ladite surface interne, un moyen de renfor- cement consistant en des fibres d'alumine qui présentent une structure cristalline du type S/a Ai 203 et une densité comprise entre 3,7 et 3,9 - 2 Piston selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la gorge ( 41; 42) est annulaire et comporte une ouverture annulaire, les fibres d'alumine étant disposées au moins dans la région de ladite ouverture de ladite gorge. 3 Piston selon la revendication 2, caractérisé par le fait que son corps comporte une nervure ( 3) qui borde la gorge ( 41; 42), cette nervure présentant une région circonférentielle externe (fa) et les fibres d'alumine étant disposées dans cette région circonféren- tielle externe de ladite nervure. 4 Piston selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les fibres d'alumine sont disposées dans la nervure ( 3) sous la forme d'un corps annulaire ou cylindrique (f). 5 Piston en alliage léger renforcé par des fibres, équipant un moteur à combustion interne et présentant un corps ( 1) en un alliage léger dans lequel est élaborée une gorge ( 41; 42) de segment de compression possédant une surface interne, ainsi qu 9 un moyen de renforcement situé sur ladite surface interne, piston caractérisé par le fait que ledit moyen de renforcement est choisi de façon à être constitué uniquement par des fibres d'alumine présentant une structure cristalline du type O/l A 1203 et une densité limitée à entre 3,7 et 3,9. 6 Piston selon la revendication 5, caractérisé par le fait que son corps comporte une nervure ( 3) bordant la gorge ( 41; 42), cette nervureprésentant une région circonférentielle externe (fa) dans laquelle lesdites fibres d'alumine sont disposées. 7 Piston selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les fibres d'alumine sont agencées dans la nervure ( 3) sous la forme d'un corps annulaire ou cylindrique (f). 8 Procédé de renforcement dùn piston en alliage léger équipant un moteur à combustion interne, procédé caractérisé par le fait que des fibres d'alumine sont disposées dans ledit piston à la surface bordant une gorge annulaire de segment de compression de ce piston, les fibres étant choisies afin de se trouver au moins dans la région dudit piston située dans l'ouverture annulaire de ladite gorge, et de présenter une structure cristalline du type 9/CL A 1203 et une densité limitée à entre 3,7 et 3,9. 9 Procédé selon-la revendication 8, caractérisé par le fait que les fibres d'alumine forment un corps annulaire ou cylindrique et sont incorporées dans l'alliage léger constituant -le piston.