Brevet FR2610550A1 — publié le 19880812

PROCEDE, MOULE ET COMPOSITION POUR LA FABRICATION DE SEGMENTS DE PISTONS L'invention concerne la fabrication des segments en fonte pour les pistons, notamment pour automobiles. Pour cette fabrication, on utilise actuellement un moulage unitaire en grappes dans lequel chaque empreinte du moule correspond à une seule ébauche de segment. Ce procédé conduit à une bonne répartition du graphite et à une orientation qui permet d'obtenir les caractéristiques de frottement idéales. Par contre, le moulage en grappes à ébauches individuelles conduit à un coût de moulage e > élevé. Pour réduire ce coût, on pourrait songer à mouler des manchons tubulaires susceptibles d'être subdivisés en plusieurs ébauches, mais dans ce cas, la ségrégation verticale et la variation de vitesse de refroidissement conduisent à une hétérogénéité inacceptable au point de vue composition, dureté et graphitisation des diverses ébauches issues d'un même manchon. Pour cette raison, lorsque le prix de revient ne permet pas d'utiliser le moulage en grappes à ébauches individuelles, on utilise plutôt un moulage par coulée centrifuge d'un tube d'assez grande longueur qui est ensuite subdivisé en ébauches individuelles. Dans ce cas, la ségrégation radiale et le refroidissement externe plus intense conduisent à une mauvaise répartition du graphite et de la dureté, ce qui nécessite par conséquent des surépaisseurs d'usinage plus importantes qui annulent en partie l'économie ainsi réalisée sur le moulage tout en conduisant à une qualité inférieure. Le but de l'invention est de réaliser de telles ébauches de segments d'une façon plus économique tout en assurant une excellente qualité. Pour cela, le procédé de fabrication de segments en fonte par usinage d'ébauches, selon l'invention, est caractérisé par le fait - qu'on réalise un moulage en sable en grappes étagées, avec coulée statique par gravité, de bagues annulaires multiples d'une hauteur capable de plusieurs ébauches, ces bagues étant à chaque étage réparties à égale distance autour d'une ou plusieurs descentes de coulée tout en étant distantes entre elles d'au moins une fraction importante de leur hauteur, - qu'on utilise pour cette coulée une fonte adaptée en fonction du diametre des bagues pour assurer un équilibre entre les éléments graphitisants, affinants et stabilisateurs de la perlite, et - qu'on subdivise ensuite chaque bague par tronçonnage ou fraisage scie pour obtenir les diverses ébauches. En particulier, le moule en sable pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut être constitué d'un empilement de galettes en sable synthétique silico-argileux avec plan de joint inférieur, d'une épaisseur supérieure au double de la hauteur d'une bague annulaire multiple, ces galettes étant réalisées à partir d'une plaque modèle dans laquelle les bagues modèles sont régulièrement réparties sur un cercle concentrique à chaque descente de coulée avec canaux de coulée radiaux, un cône de serrage étant fixé au centre de chaque bague modèle, la section d'attaque de coulée sur la bague modèle de chaque canal radial ayant une hauteur au plus égale à 0,4 fois la hauteur de la bague, et une largeur au moins égale à 1,75 fois Sa propre hauteur. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une coupe axiale partielle du moule; la figure 2 est une vue de dessous d'une galette; la figure 3 est une coupe axiale partielle de la plaque modèle; et la figure 4 une vue de dessus de cette plaque modèle. Conformément à l'invention et comme représenté sur les figures 3 et 4, les bagues modèles l, tout comme les bagues annulaires multiples qui seront moulées dans l'empreinte réalisée à l'aide de ces bagues modèles, doivent avoir une hauteur H capable de plusieurs ébauches. Par exemple, quatre ébauches par bague donnent d'excellents résultats. La hauteur de chaque bague doit alors être égale à quatre fois l'épaisseur d'une ébauche, plus trois fois l'épaisseur perdue pour le tronçonnage, avec en plus sur les faces d'extrémités et sur les surfaces intérieure et extérieure, les surépaisseurs nécessaires pour le détourage (1 à 2 mm sur chacune de ces surfaces). En plus de cela, chaque bague 1 comporte les dépouilles habituelles. La plaque modèle comporte au moins une chandelle 2 avec embase 3 destinées à constituer la descente de coulée d'un étage, et un certain nombre de bagues modèles l, par exemple six dans l'exemple représenté, sont réparties selon un cercle 4 concentrique à la descente de coulée, c'est-à-dire à l'axe de la chandelle 2, de manière que ces six bagues 1 soient toutes situées à égale distance de cette descente de coulée, tout en demeurant distantes entre elles d'une distance d qui doit être suffisante pour éviter les hétérogénéités de refroidissement. Selon l'invehtion, cette distance d doit être supérieure ou égale à 0,8 fois la hauteur H des bagues. Les canaux de coulée radiaux sont matérialisés sur la plaque modèle par des pièces 5 disposées entre l'embase 3 et le bord interne de chaque bague 1, ces pièces étant renflées pour constituer des masselottes, et la hauteur h de la partie éxtérieure au contact de la bague 1 et destinée à former l'attaque de coulée sur l'empreinte de bague est de préférence inférieure à 0,4 fois la hauteur H de la bague. En contrepartie, sa largeur L doit être suffisante, et de préférence au moins égale à l,75 fois la hauteur h. La plaque modèle 6, supportant ces éléments, comporte en outre, au centre de chaque bague modèle 1, un cône de serrage 7 intervenant au moment de la constitution de chaque galette pour comprimer le sable radialement vers la bague 1 afin d'assurer une dispersion minimum sur les cotes de la bague qui sera ultérieurement moulée dans l'empreinte ménagée par cette bague modèle. Chaque étage du moule peut avantageusement comporter plusieurs descentes de coulée 2e, par exemple quatre groupées en carré comme représenté sur la figure 2. Dans ce cas, les quatre chandelles 2 matérialisant ces axes de coulée sont disposées régulièrement selon les quatre angles d'un carré, avec chacune leur groupe de six bagues modèle 1 les entourant comme indiqué c.idessus, et dans ce cas il faut également respecter une distance minimum d entre les bagues modèle 1 de deux groupes voisins.Pour limiter l'encombrement, il est préférable, selon l'invention, d'opérer un décalage angulaire entre chaque groupe et le suivant de la moitié du pas angulaire de chaque bague dans le groupe, soit de 300 dans le cas présent, comme représenté sur la figure 2, pour assurer le quinconçage des bagues l dâns la région limitrophe, ceci assurant un encombrement minimum et une bonne répartition des espaces de séparation. A l'aide de cette plaque modèle, on réalise un certain nombre de galettes en sable dont l'épaisseur E, représentée sur la figure 1, représente au moins deux fois la hauteur H d'une bague. Pour réaliser le moule complet, comme représenté sur la figure 1, on empile un certain nombre, par exemple quatorze, de ces galettes 8, disposées avec le plan de joint en position inférieure, et on complète le moule à l'aide d'une galette inférieure 9 qui peut être pleine, et une galette supérieure 10 qui comporte sur sa face supérieure un godet de coulée il et sur sa face inférieure un croisillon 12 destiné à alimenter à partir du godet il les quatre descentes de coulée 2e, constituées par la superposition des trous ménagés par les chandelles 2, et alimentant par les canaux radiaux 5e ménagés par les pièces 5 les empreintes le devant mouler les bagues, non représentées. En plus des particularités qui précèdent concernant le moule, l'invention prévoit, pour effectuer la coulée, d'utiliser une fonte particulière dont la composition est adaptée en fonction du diamètre D des segments pour réaliser un équilibre entre les éléments graphitisants, affinants et stabilisateurs de la perlite. Pour ce qui concerne les éléments graphitisants, carbone et silicium, la proportion de ceux-ci peut être réduite au fur et à mesure que le diamètre D augmente tout en obtenant des lamelles de graphite mieux développées. Pour ce qui concerne les éléments affinant la structure, afin d'éviter des lamelles de graphite trop grosses, on utilise l'addition de ferro-titane, complétée pour les fortes sections par l'addition de ferro-vanadium.Enfin, pour éviter au refroidissement la formation de ferrite libre ou de perlite grossière, on utilise des stabilisateurs tels que cuivre, nickel ou étain. Les meilleurs résultats sont obtenus avec une fonte dont les compositions se situent dans une marge de + 30% des compositions suivantes, données en fonction de D exprimé en millimètre Sn % = (0,625 x D + 5) 10-3 Ni % = (0,750 x D + 20) 10-3 plafonné à 0.08 % Cu % = C1 x D - 60) 10-3 si D > 80 mm Ti % = (0,687 x D + 5) 10-3 plafonné à 0.06 % V % = (1,166 x D - 90) 10-3 si D > 80 Ces compositions ont été spécialement étudiées pour des diamètres de segments compris entre 40 et 120 mm, dimensions seules utilisées en automobile. Pour le nickel et le titane, la fonction linéaire croissante est remplacée par une constante, respectivement 0.08 et 0.06 lorsque D dépasse 80 mm.Naturellement, le cuivre et le vanadium sont absents lorsque le diamètre est au-dessous de cette valeur. A titre d'exemple, pour des segments d'un diamètre de 40 mm et une hauteur de 1,50 mm, on utilise une fonte de la composition suivante C = 3,70 Si = 1,95 Mn = 0,75 P = 0,50 Ti = 0,03 Sn = 0,03 Ni = 0,05 Après coulée, les bagues multiples obtenues sont séparées des grappes, puis subdivisées en quatre ébauches de segments, par tronçonnage au tour, ou fraisage scie à la fraiseuse ou à la meule disque, ou par tout autre procédé de coupe. Le procédé selon l'invention, en particulier la combinaison des particularités du moule avec la composition de fonte indiquée, permet d'obtenir d'excellents résultats, en particulier une dispersion des valeurs de dureté et de module d'élasticité tout à fait comparable à celle habituelle sur les anneaux coulés unitairement, malgré un prix de revient nettement inférieur. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de segments en fonte par usinage d'ébauches, caractérisé par le fait - qu'on réalise un moulage en sable et en grappes étagées, avec coulée statique par gravité, de bagues annulaires multiples d'une hauteur (H) capable de plusieurs ébauches, ces bagues étant à chaque étage réparties à égale distance autour d'une ou plusieurs descentes de coulée (2) tout en étant distantes entre elles (d) d'au moins une fraction importante db leur hauteur (H), - qu'on utilise pour cette coulée une fonte adaptée en fonction du diamètre (D) des segments pour assurer un équilibre entre les éléments graphitisants, affinants et stabilisateurs de la perlite, et - qu'on subdivise ensuite chaque bague par tronçonnage ou fraisage scie pour obtenir les diverses ébauches. 2. Moule en sable pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, constitué d'un empilement de galettes (8) en sable synthétiques silicoargileux avec plan de joint inférieur, ces galettes ayant une épaisseur supérieure au double de la hauteur (H) d'une bague multiple, et étant réalisées à partir d'une plaque modèle (6) dans laquelle les bagues modèles (1) sont régulièrement réparties sur un cercle (4) concentrique à chaque descente de coulée (2) avec canaux de coulée radiaux (5), un cône de serrage (7) étant fixé au centre de chaque bague modèle (1), la section d'attaque de coulée sur la bague modèle (1) de chaque canal radial (5) ayant une hauteur (h) au plus égale à 0,4 fois la hauteur (H) de la bague, et une largeur (L) au moins égale à 1,75 fois sa propre hauteur (h). 3. Moule selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les bagues modèles (l) sont distantes entre elles (d) sur une même plaque modèle (6) d'au moins 0,8 fois la hauteur (H) d'une bague. 4. Moule selon une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que chaque bague annulaire multiple est capable de quatre ébauches. 5. Moule selon une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que chaque plaque modèle (6) comporte plusieurs, de préférence quatre groupes formés d'une descente de coulée et des bagues modèles qui l'entourent, la répartition des axes des descentes de coulée étant combinée avec un décalage angulaire de chaque groupe au groupe voisin, de manière à assurer un quinconçage des bagues voisines de deux groupes limitrophes. 6. Composition de fonte pour l'utilisation du procédé ou du moule selon une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les éléments suivants se situent dans des teneurs comprises dans des marges de + 30% à partir des valeurs suivantes Sn % = (0,625 x D + 5) 10-3 Ni % = (0,750 x D + 20) 10-3 plafonné à 0.08 % Cu % = (1 x D - 60) 10-3 si D > 80 mm Ti % = (0,687 x D + 5) 10-3 plafonné à 0.06 % V % = (1,166 x D - 90) 10-3 si D > 80