Brevet FR2537656A1 — publié le 19840615

INSERTS POUR PISTONS DE MOTEURS DIESEL EN ALLIAGES D'ALUMINIUM-SILIC It U 4 AYANT UNERESISTANCE A CHAUD ET UNE USINABILITE AMELIOREES La présente invention concerne des inserts pour pistons de moteurs DIESEL en alliages d'aluminium-silicium contenant 12 à 25 % de silicium obtenus par la métallurgie des poudres et possédant à la fois une résis- tance à chaud et une usinabilité améliorées, ainsi qu'une bonne aptitude au frottement. Il est bien connu que, dans le domaine de l'automobile, les construc- teurs, par souci d'économie de combustible, se tournent de plus en plus vers l'utilisation de matériaux légers C'est ainsi que l'aluminium et ses alliages prennent chaque jour une place plus importante au détriment des matériaux ferreux beaucoup plus denses. En ce qui concerne le moteur en particulier, il est maintenant fréquent de recourir à des alliages d'aluminium-silicium pour la confection des pièces soumises à des frottements telles que les chemises et les pistons, car il est connu que le silicium est un élément qui possède une très grande résistance à l'usure Ces alliages contiennent généralement d'au- tres éléments comme le cuivre, le magnésium, le nickel, le cobalt qui contribuent à améliorer certaines de leurs caractéristiques mécaniques et/ou des lubrifiants: graphite, bisulfure de molybdène, par exemple. Mais, la tendance actuelle chez les constructeurs de DIESEL notamment est d'augmenter les puissances spécifiques des moteurs, de sorte que les matériaux qui les composent sont exposés à des efforts thermiques de plus en plus élevés C'est le cas en particulier de certaines pièces rappor- tées ou inserts qui équipent les pistons pour constituer soit la gorge du segment de feu et le bord supérieur du piston, soit la chambre de combustion et dont la température peut atteindre 400 C. Dans ces conditions, il s'avère que les alliages d'aluminium-silicium tels que les A-512 UN, les A-518 UNG, les A-522 UNK utilisés avec succès jusqu'alors pour la fabrication de ces inserts présentent une résistance mécanique amoindrie qui, par dégradation dans le temps, devient insuf- fisante. 2 37656 Pour parer à cet inconvénient sans se priver des avantages incontesta- bles de légèreté et d'aptitude au frottement que procurent les alliages d'aluminium-silicium, la demanderesse a cherché et trouvé qu'il était possible d'améliorer leur résistance à chaud en y incorporant du fer pour autant que les précipitations de phases auxquelles il donne lieu soient fines et homogènes. Précisant les conditions d'obtention de tels alliages, elle a constaté qu'une concentration en fer de 2 à 8 % en poids constituait un optimum car une quantité plus grande n'apporte pas d'amélioration sensible, alors que moins de 2 % affecte peu la résistance à chaud. Pour parvenir à la finesse et à l'homogénéité souhaitée des précipités, elle a été amenée, en raison de la faible solubilité du fer dans l'alu- minium, à recourir à des procédés de solidification rapide, c'est-à- dire ceux qui sont basés sur l'obtention de métal à l'état divisé et qu'on regroupe généralement sous la dénomination de métallurgie des poudres. Ainsi, l'alliage d'aluminium-silicium auquel on a ajouté au préalable une quantité de fer convenable, est fondu et porté à une tempéerature supérieure à 900 C de manière à éviter tout phénomène de précipitation prématurée, puis traité dans des dispositifs convenables qui en assurent la division en particules Cette dernière peut être réalisée par pulvé- risation fine obtenue par atomisation à l'aide d'un gaz, ou par atomi- sation mécanique suivie d'une solidification dans un gaz (air, hélium, argon) On obtient ainsi des poudres de granulométrie inférieure à 400 pim Mais, la solidification peut aussi se faire à des vitesses plus élevées que dans le cas de l'atomisation par projection de l'alliage fondu contre une surface métallique refroidie, d'o résulte la forma- tion de paillettes d'épaisseur inférieure à 100 lim Les particules ainsi fabriquées sont alors comprimées à froid et/ou à chaud puis filées et/ou forgées à chaud de façon à obtenir l'alliage à l'état compact à partir duquel sont confectionnés les inserts. En examinant de plus près les mesures de résistance à chaud des alliages ainsi préparés, la demanderesse a constaté certaines disparités qui lui ont permis de mettre en évidence l'influence de la granulométrie et de l'épaisseur des particules sur la finesse des précipités et, par conse- quent, sur la résistance mécanique à chaud En effet, plus la vitesse de refroidissement est grande, plus les particules sont petites ou min- ces et leur surface spécifique développée et, par suite, plus la fi- nesse des précipités s'accroit Cette relation a d'ailleurs été vérifiée par un examen micrographique' Il en résulte-que, suivant le degré d'a- mélioration de la résistance à chaud qu'on désire atteindre, on sélec- tionne les particules en procédant à une coupe granulométrique ou en jouant sur la vitesse de refroidissement. Poursuivant son étude sur le r 8 le joué par les particules, la demande- resse a également mis en évidence le fait que pour les alliages hyper- eutectiques, la taille des grains de silicium primaire évolue également dans le même sens que les dimensions des particules, c'est-à-dire que, plus les particules sont petites, plus les grains de silicium le sont aussi Or, il est connu que la facilité d'usinage des alliages d'aluminiumsilicium s'accroît avec la finesse des grains de silicium primaire. Ainsi, la présente invention concourt-elle à améliorer simultanément la résistance à chaud et l'usinabilité des alliages fabriqués, Dans ces conditions, les inserts de pistons obtenus par métallurgie des poudres présentent une résistance à des températures comprises entre 350 et 4000 C, nettement supérieure à celle observée avec des alliages fabriqués par coulée, tels que, par exemple, I'A-U 6 MT choisi en raison de ses performances remarquables du point de vue de sa tenue à chaud. La demanderesse, ayant réussi à améliorer sensiblement la résistance à chaud des alliages d'aluminium-silicium par une addition de fer, a aussi constaté que cet effet pouvait être exacerbé en ajoutant également du zirconium, mais en quantité beaucoup plus faible que le fer C'est ainsi que des concentrations en poids comprises entre 0,2 et 1,5 % se sont avérées les plus efficaces. Un alliage selon l'invention, dans lequel figurent ces deux éléments, a notamment pour propriété de présenter une résistance à chaud qui n'évo- lue pratiquement pas dans le temps meme après un maintien de 500 heures à 350 C. De plus, d'autres éléments à faible solubilité et diffusivité dans l'a- luminium tels que le nickel, le cobait, le cérium, le molybdène, le chrome, le titane, le vanadium, par exemple, ont une influence favorable sur les propriétés recherchées et peuvent être utilisés soit en substi- tution au zirconium, soit en combinaison avec ce dernier à des concen- trations en poids ne dépassant pas 2 % pour chacun d'eux. L'invention peut être illustrée au moyen de l'exemple d'application suivant: un lingot d'alliage du type A-525 UN G Fe 3 Zr, de composition en poids suivante: Fe 2,80 % Si 22,10 % Cu 1,07 % Ni 1,05 % Zr 0,59 % Mg 0,80 % a été fondu et atomisé dans l'air à une température comprise entre 950 C et 1000 C On a recueilli une poudre dont 90 % au moins de la masse avait une granulométrie inférieure à 400 pm et qui présentait à l'examen micrographique une structure beaucoup plus fine et homogène que dans le cas de la coulée. Cette poudre a été partagée en deux lots de granulométrie 400-180 pm et 63-20 pm que l'on a comprimés séparément et à froid en lopins dans le conteneur de diamètre 95 mm d'une presse Ceux-ci ont été traités ther- miquement puis filés à chaud dans une gainmme de température voisine de 350 C, découpés et usinés, pour donner finalement les inserts selon l'invention et qu'on peut illustrer à l'aide de la figure 1 jointe à la présente invention. Celle-ci présente une coupe par un plan passant par l'axe d'un demi- piston ( 1) dans la masse duquel sont placés des inserts ( 2) formant la gorge du segment de feu et le bord supérieur du piston et ( 3) formant la chambre de combustion. Ces inserts ont été soumis à des examens micrographiques, à des tests d'usinabilité et de frottement et à des essais de traction. Les examens micrographiques, sous un grossissement de 400, sont matéria- lisés notamment par les photos correspondant aux figures 2 et 3 qui accompagnent la présente demande On peut voir sur la figure 2 un produit obtenu à partir de la poudre de granulométrie 400-180 pm, dans lequel apparaissent des particules de silicium primaire dont les dimensions sont inférieures à 10 gm; par contre, sur la figure 3, relative à la poudre 6320 pm, ces particules sont plus fines et de dimensions inférieures à im Des examens au microscope électronique mettent également en évi- dence une plus grande finesse des phases riches en fer dans le cas de la poudre 63-20 npm. Les tests d'usinabilité non chiffrés ici confirment l'effet bénéfique des poudres de granulométrie fine sur les possibilités d'usinabilité de l'alliage. Les tests de frottement montrent également que l'aptitude au frottement de ces alliages à chaud est améliorée par l'ajout de fer et/ou de zirco- nium et/ou des autres éléments. Les essais de traction ont été effectués dans le sens long et à 350 C sur les produits maintenus respectivement pendant une heure et cinq cents heures à cette température, et on a mesuré dans les deux cas à la fois la résistance à 0,2 % d'allongement: R 0,2, et la résistance maximum: Rm. Parallèlement, pour comparaison, les mêmes mesures ont été faites sur un alliage A-U 6 MT élaboré par coulée puis filage et dont on sait qu'il pos- sède une remarquable résistance à chaud. Le tableau suivant rend compte de ces essais: On constate que l'alliage selon l'invention a une résistance à chaud après un maintien de une heure à 350 C comparable à celle de 1 'A-U 6 MT. Cette résistance ne se dégrade pas lors d'un maintien prolongé à cette température pendant cinq cents heures alors que, par contre, la résis- tance de l'A-U 6 MT est réduite de moitié. Ce tableau montre également que la résistance est meilleure lorsque la poudre utilisée a une granulométrie plus fine. La présente invention trouve son-application dans la confection, dans de meilleures conditions d'usinabilité, d'inserts de pistons de moteurs destinés à travailler à des températures élevées pendant de longues périodes et possédant à la fois une résistance améliorée et stable dans le temps, et une bonne aptitude au frottement Ils conviennent particu- lièrement bien aux pistons de moteurs DIESEL. Température de traitement -: 350 C Alliage Granulométrie Maintien: 1 h 'Maintien': 500 h Alliage e n en Wm R 0,2 Rm R 0,2 Rm M Pa M Pa M Pa' M Pa A-525 UN G 450-180 55 92 71 93 Fe 3 Zr 0,6 63 20 76 107 81 113 A-U 6 MT coulé 79 111 l 36 58 2537656, REVENDICATIONS 1 / Inserts pour pistons de moteurs DIESEL en alliages d'aluminium- silicium contenant 12 à 25 % de silicium, obtenus par métallurgie des poudres et possédant à la fois une résistance à chaud et une usinabilité améliorées ainsi qu'une bonne aptitude au frottement, caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 2 et 8 % en poids de fero 2 / Inserts selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils contien- nent entre 0,2 et 1,5 % en poids de zirconiumo. 3 / Inserts selon les revendications 1 ou 2, caractérisés en ce qu'ils contiennent au moins un élément appartenant au groupe constitué par le cérium, le molybdène, le chrome, le nickel, le titane, le vanadium et le cobalt. 4 / Inserts selon la revendication 3, caractérisés en ce qu'ils contien- nent moins de 2 % en poids de chacun de ces éléments O