Brevet FR2537654A2 — publié le 19840615

FR 2537654 A2 19840615 FR 8220982 A 19821209 PERFE Cr IONNEMENT DES CHEMISES DE MOTEURS A BASE D'ALLIAGES D'ALUMINIUM l T DE GRAINS DE SILICIUM CALIBRES ET LEURS PROCEDES D'OBTENTION La préstente invention est relative à un perfectionnement des chemisef de moteurs à explosion ou à combustion interne belles que revfendiquées dans la demande de-brevet 82 11032 et dont la structure présente des grains de silicium calibrés et disperses dans une matrice d'alliage d'aluminiumsilicium eutectique Elle concerne également quelques uns des procédés d'obtention de ces chemises. Dans sa demande de brevet principale, la demanderesse a relaté qu'elle avait observé au cours d'essais effectués dans des conditions particulièrement sévères une détérioration des chemises obtenues par filage de poudres d'alliages aluminium-siliciumn hypereutectiques et que ûl la suite d'une étude poussée du phénomène, elle avait constate que celle-ci était liée à la trop grande finesse des grains die silicium C'est pourquoi, elle avait pris conscience qu'il était possible d'améliorer la compatibilité de la chemise avec le piston travaillant à son contact Pour'cela, elle avait élaboré des chemises dont la structure présente des grains de silicium soigneusement calibrés dans une fourchette de granulo- métrie relativement étroite se situant en moyenne au-dessus du maximum ayant conduit à un mauvais résultat et en-dessous de celle trop grossière des produits coulés. Elle aviit alors revendiqué une chemise à base d'un alliage d'aluminiumsilicium eutectique contenant éventuellement d'autres Iééments et présentant dans sa structure une distribution de grains ie silicium calibrés de dimensions comprises entre 20 et pm. Elle avsit aussi montré qu'une proportion de 5 à 15 % de grains de silicium par rapport à la masse de la chemise convenait pour obtenir un: co O m Tromis favorable entre les qualités apportées d'une part par la:-atrice et d'autre part par les grains de silicium et que de préf:'rence cette matrice pouvait être constituée par des alliages eutecti 4 sles du type A-512 U 4 G o le cuivre et le magnésium permet- taient J'en améliorer la tenue mécanique, -2- En outre, elle avait indiqué que les propriétés de frottement des chemises pouvaient être améliorées par la présence d'adjuvants tels que le graphite, par exemple, bien connu pour son pouvoir lubrifiant. Continuant ses:recherches en vue d'améliorer les performances des ensembles chemise-piston du point de vue compatibilité et pour remédier notamment à l'apparition de certains phénomènes de collage ponctuel qui apparaissent lorsque la chemise travaille au-delà des températures limites généralement admises, la demanderes- se a abouti au perfectionnement, objet de la présente invention, caractérisé en ce que les chemises contiennent une dispersion d'au moins un composé intermétallique, distincte de celle de tels composés susceptibles d'exister au sein de l'alliage et dont la température de fusion est supérieure à 7000 C. Ainsi, l'invention consiste-t-elle à avoir dans la chemise en plus des grains de silicium calibrés, une dispersion d'au moins un composé intermétallique. Il y a lieu de souligner que cette dispersion est différente du point de vue structure et/ou composition de celle qui pourrait être présente dars l'alliage de base En effet, il est possible que cet alliage contienne certains éléments susceptibles de former entre eux des composés intermétalliques au cours de son élaboration par métallurgie des poudres Mais ces composés appar- tiennent à la structure même de l'alliage de base et n'ont donc rien à voir avec celui (ou ceux) concerné(s) par l'invention. Ces composés intermétalliques constituant cette dispersion sont choisis parmi ceux qui ont une température de fusion supérieure à 7000 C. On a en effet trouvé que la présence de tels composés dans la structure d'une chemise à matrice d'aluminium-silicium eutectique avait pour propriété de réduire fortement sinon de supprimer la tendance de la chemise à se souder localement au piston lorsque certaines limites de températures sont dépassées. -3 - De plus, les essais réalisés montrent que ces composés intermétalli- ques contribuent à améliorer simultanément le rôle joué par les grains de silicium en créant des points durs dans la chemise et en renforçant ainsi sa résistance à l'usure et celui du graphite en exacerbant sa fonction d'agent lubrifiant comme en témoignent les mesures de coefficient de frottement. Le composé intermétallique Ni 3 Sn dans lequel trois atomes de nickel sont combinés à un atome d'étain pour former ces cristaux du type hexagonal, s'est avéré particulièrement performant à la fois dans ses fonctions d'agent de "non-collage" et dans celles de produit lubrifiant et résistant à l'usure. De tels composés doivent être répartis régulièrement dans la masse de la chemise sous forme de grains Cependant, pour développer pleinement leurs effets, ces grains sont dé préférence calibrés, c'est-à-dire qu'ils répondent à une courbe de granulo- métrie la plus resserrée possible et dont les dimensions sont de toute façon comprises entre 5 et 50 pim On exclut ainsi d'une part, les grains trop fins qui en raison de leur surface spécifi- que élevée, 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 la matrice en alliage d'aluminium-siliciun eutectique, les grains de silicium, le lubrifiant et les grains de composé inter- métallique, on a constaté qu'une proportion de ces derniers de à 15 % de la masse de la chemise convenait très bien. Les grains de composé intermétallique peuvent présenter un faoiès différent en fonction de leur mode 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. -4- Quant à l'alliage de base constituant la matrice du matériau de l'invention, outre l'alliage du type A-S 12 U 4 G, on peut également utiliser un alliage du type A-512 Z 5 GU. L'invention concerne également quelques uns des procédés d'obtention de telles chemises Ces procédés possèdent comme dans la demande principale une phase commune consistant à diviser l'alliage d'aluminium-silicium eutectique à partir de l'état liquide en une poudre Ceci est obtenu par tous procédés existants comme par exemple la pulvérisation centrifuge, l'atomisation, etc Cette poudre est alors tamisée pour en éliminer les particules de dimensions non comprises entre 60 et 400 pm puis mélangée 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; on y ajoute éventuellement 3 à 10 en poids de graphite ou tout autre élément susceptible d'améliorer la qualité de la chemise tel que le carbure de silicium pour augmenter sa dureté ou l'étain pour la rendre plus apte au frottement Mais ils s'en distinguent par le fait qu'on y incorpore un composé intermétallique sous forme de grains suivant les pourcentages en poids compris entre 5 et et de dimensions comprises entre 5 et 50 pm Après homogénéi- sation convenable, un tel mélange peut alors être traité de deux façons différentes, soit par frittage, soit par filage. Dans le cas du frittage, le mélange de poudres est mis en forme par compression à froid dans une presse verticale ou isostatique, puis frittée sous atmosphère controlée La chemise ainsi obtenue est alors usinée aux dimensions convenables. Dans le cas du 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 1 '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 dernières sont ensuite usinées. Il est possible d'effectuer une trempe directement sur le tube sortant de la filière puis de procéder à un traitement thermique classique de revenu, 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 fbrmer des godets dont on tronçonne 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 objet de l'invention-trouvent leur application notamment dans l'industrie de l'automobile et dans tout genre d'industrie o l'on cherche à disposer d'ensemble chemise-piston de bonne compatibilité à partir d'alliages d'aluminium. -6- REVENDICATIONS 1 ) Chemises de moteurs à base d'un alliage d'aluminium-silicium eutectique et éventuellement d'autres éléments et dont la struc- ture présente une distribution régulière de grains de silicium calibrés de dimensions comprises entre 20 et 50 pm, caractérisées en ce qu'elles contiennent une dispersion d'au moins un composé intermétallique 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. 2 ) Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que le composé intermétallique est le Ni 35 n. 3 ) Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que le composé intermétallique se présente sous forme de grains calibrés de dimensions commrises entre 5 et 50 pm. 4 ) Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que le composé intermétallique représente 5 à 15 % du poids de la masse de la chemise. ) Chemises selon la revendication 1, caractérisées en ce que les grains de composé intermétallique ont un faciès de particules résultant d'un broyage. 6 ) Chemises de moteurs selon la revendication 1, caractérisées en ce que les grains de composé intermétallique ont le faciès de particules résultant de la solidification d'un liquide pulvérisé. 7 ) Chemises de moteurs selon la revendication 1, caractérisées en ce que l'alliage d'aluminium silicium eutectique appartient au groupe constitué par l'A-512 U 4 G et l'A-512 Z 5 GU. 8 ) Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 1, dans lequel on met en oeuvre un alliage d'aluminium-silicium eutectique divisé à partir de l'état liquide en une poudre de -7- dimensions comprises entre 60 et 400 pm, que l'on mélange à des grains de silicium de granulométrie comprise entre 20 et 50 pm en quantité telle qu'ils représentent 5 à 15 % en poids de la masse de la chemise auxquels sont ajoutés éventuellement 3 à 10 % de gra- phite en poudre, caractérisé en ce que l'on y incorpore un composé intermétallique sous forme de grains suivant des pourcentages en poids compris entre 5 et 15 %o et des dimensions comprises entre et 50 nm. 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. ) Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le mélange de poudres et des 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. 11 ) Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le produit filé est trempé à la sortie de la presse puis soumis à un traitement thermique de revenu. ) Procédé de fabrication de chemises suivant la revendication 8, caractérisé 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. ) Procédé de fabrication de chemises suivant la revendicatio N 12 caractérisé en ce que l'on effectue une trempe directe des godets après filage.