Brevet FR2643419A1 — publié le 19900824

Insert pour moteur Diesel à injection indirecte La présente invention concerne un perfectionnement d'un insert pour moteur Diesel à injection indirecte, et en particulier un insert dans lequel une couche d'alliage résistant à la chaleur ou un élément de recouvrement ou overlay soudé présentant une bonne capacité d'usinage, une résistance élevée à la chaleur et une résistance à la fatigue thermique, est fixé sur l'une au moins des extrémités supérieure et inférieure d'un trou d'injection de carburant. Dans l'art antérieur, on utilise pour préparer les inserts métalliques la coulée à la cire perdue, l'usinage et le forgeage. On utilise des aciers résistant à la chaleur et à base de martensite tels que le SUH3 et le SUH616 et des aciers super-résistants à la chaleur tels que le NIMONIC80A et le LCN-155 du fait que l'on a besoin d'une résistance élevée à la fatigue thermique. La demande pour une vitesse de rotation élevée, de. faibles dimensions-et un rendement thermique amélioré pour les moteurs Diesel a augmenté récemment. En particulier, la température et la pression dans la chambre de combustion ont augmenté en raison de la popularité de l'EGR ("Exhaust Gas Recirculation") du fait de l'utilisation des gaz d'échappement. Les dégâts sont les plus importants dans les régions périphériques situées autour des ouvertures du trou d'injection de carburant sur l'insert, car des gaz à température élevée et à pression élevée sont injectés par le trou à grande vitesse et la 2 6 4 3 4 1 9. 2643419. 2 - température des régions périphériques devient localement plus élevée. Les matériaux décrits ci-dessus ne peuvent pas être utilisés pour un tel moteur de grande puissance. Des inserts destinés à être utilisés dans les moteurs de grande puissance sont décrits dans les publications de brevets japonais ShS 62-112762 et ShS 63-47346, dans lesquelles on utilise une couche d'alliage ou un overlay soudé qui résiste à la ou chaleur pour constituer l'insert/dans les régions à angle aigu autour des ouvertures du trou, qui sont anormalement chauffées. Cependant, il est nécessaire de déplacer la buse de soudage correctement le long du pourtour des régions à angle aigu pour souder le matériau spécifié sur ces régions par les procédés montrés dans les publications antérieures, qui sont des procédés demandant de l'habileté et du temps. Quand le trou est formé et quand le foret pénètre dans la région limite entre le corps de l'insert et la région du soudage, un perçage de précision est difficile à réaliser et le foret est sujet à une usure excessive. En outre, le danger que l'overlay soudé se détache de l'insert peut se présenter pendant le fonctionnement du moteur. - Le but essentiel de la présente invention est de fournir un insert présentant de bonnes capacités d'usinage et une résistance accrue à la fatigue thermique qui est produite par le flux à grande vitesse des gaz à température et pression élevées. Un autre but de l'invention est de fournir un insert peu coûteux présentant une meilleure durabilité et une faible dilatation thermique. Pour atteindre les buts indiqués ci-dessus, l'invention fournit un insert pour moteur Diesel à injection indirecte comprenant une paroi cylindrique et une paroi supérieure formées en un acier résistante à la chaleur et un trou traversant, l'une au moins dés extrémités supérieure et inférieure du trou étant entourée par une couche d'alliage ou par un overlay soudé présentant une résistance à la chaleur meilleure que celle de la paroi supérieure. De préférence, l'acier résistant à la chaleur qui forme la paroi supérieure est en un alliage à base de martensite tel que le SUS403. On comprendra que l'on puisse utiliser tout alliage approprié présentant une résistance élevée à la fatigue thermique pour former la couche d'alliage ou l'overlay soudé. Cependant, il est préférable 3- d'utiliser soit un alliage appelé ici "alliage. A" et comprenant en poids: C 0,5 % ou moins, Si 1,0 % ou moins, Mn 2,0 % ou moins, Ni 5 - 15 %, Cr 10 - 30 %, W 10- 20 %, Fe 5 - 25 %, et Co constituant le complément, avec certaines impuretés inévitables; ou un alliage appelé ici "alliage B" et comprenant en poids: C 0,15 % ou moins, Si 0,5 % ou moins, Mr. 1,0 % ou moins, Cr 10 -30%, Mo 3 - 7 %, W 3 - 10 %, Fe 5 - 25 %, et Ni constituant le complément, avec certaines impuretés inévitables. Les raisons des proportions des composants de l'alliage résistance à la chaleur de l'invention sont les suivantes. Alliage A C: Lorsque des carbures se forment par combinaison de C avec Cr et W, la dureté de l'alliage augmente et il devient difficile à usiner. En conséquence, la limite supérieure de la proportion de C est de 0,5 %. Si: La résistance à l'oxydation de l'alliage est améliorée en ajoutant Si. Cependant, quand on ajoute des quantités trop élevées de Si, on constate une fragilité et la résistance au choc thermique baisse. En conséquence, la proportion de Si est limitée à 1,0 % ou moins. Mn: La -présence de Mn est efficace pour améliorer la résistance au fluage. Cependant, quand des quantités trop élevées de Mn sont présentes, la résistance à l'oxydation à température élevée se dégrade. Donc, la proportion de Mn est limitée à 2,0 % ou moins. 26434 1 9 -4 Ni: L'adjonction de Ni renforce l'alliage par solution solide de Ni dans la base d'austénite et quand W coexiste avec Ni, l'effet est encore plus fort. Cependant, quand 5 % ou moins de Ni sont présents, l'effet est faible; au-dessus de 15 %, l'effet n'augmente pas sensiblement. Quand des quantités excessives de Ni sont présentes, la résistance à l'attaque par S devient mauvaise. Donc, on limite la proportion de Ni à la plage de 5 - 15 %. Cr: Cr est le composant critique pour déterminer la résistance à l'oxydation de l'alliage à des températures élevées. Quand Cr est présent à 10 % ou moins, la résistance à l'oxydation est insuffisante et pour des proportions de Cr dépassant 30 %, la résistance à l'oxydation n'est pas améliorée dans une mesure significative. Donc, la proportion de Cr est limitée à la plage de 10 - 30 %. W: De la même manière que Ni, W renforce l'alliage par solution solide de W dans la base d'austénite. Cependant quand W est présent selon une proportion de 10 % ou moins, l'effet est faible, et quand il est présent pour plus de 20 %, l'usinabilité de l'alliage se dégrade. L'adjonction de grandes quantités de W n'est d'ailleurs pas économique. En conséquence, la proportion de W est limitée à 10 - 20 %. 0 Fe: Fe peut constituer jusqu'à 25 % de l'alliage sans dégrader sa résistance à des dégâts. Cependant, quand la fraction de Fe est très inf érieure /, l'usinage de l'alliage devient difficile. La proportion de Fe est limitée entre 5, et 25 % en considération du coût. Alliage B C: Lorsque des carbures se forment par combinaison de C avec Cr, W et Mo, la résistance de l'alliage se dégrade, ce qui fait que l'on limite la proportion de C à 0,15 % ou moins. Si: La résistance à l'oxydation de l'alliage est améliorée en ajoutant Si. Cependant, quand on ajoute des quantités trop élevées de Si, on constate une fragilité et la résistance au choc thermique baisse. En conséquence, la proportion de Si est limitée à 0,5 % ou moins. Mn: La présence de Mn est efficace pour améliorer la résistance au fluage. Cependant, quand des quantités trop élevées de Mn sont présentes, la résistance à l'oxydation de l'alliage se dégrade. Donc, la proportion de Mn est limitée à 1,0 % ou moins. Cr: Cr est le composant critique pour déterminer la résistance à l'oxydation à des températures élevées. Quand Cr est présent à 10 % ou moins, la résistance à l'oxydation est insuffisante et si Cr est présent pour 30 % ou plus, l'effet sur la résistance à l'oxydation n'est pas particulièrement amélioré. La présence de plus de 30 % de Cr n'est pas économique, ce qui fait que la proportion de Cr est limitée à - 30 %. Mo: Mo renforce l'alliage par solution solide de MO dans la base d'austénite. Quand on ajoute 3 % ou moins de Mo, l'effet du Mo est faible, et quand on ajoute plus de 7 % de Mo, l'effet sur la résistance à l'oxydation n'est pas augmenté de façon significative. Par ailleurs, l'adjonction de quantités importantes de Mo n'est pas économique. Donc, la proportion de Mo est limitée à 3 - 7 %. W: De la mime manière que Mo, la présence de W renforce également l'alliage par solution solide de W dans la base d'austénite. L'effet de l'adjonction de W est remarquable en particulier quand W coexiste avec Mo. Cependant quand on ajoute 3 % ou moins, l'effet n'apparaît pas, et quand on ajoute W pour plus de 10 %, la résistance se dégrade du fait que sont produits des composés intermétalliques de phase proportion de W est limitée à 3 - 10 %. Fe: Fe peut constituer jusqu'à 25 % de l'alliage sans dégrader sa propriété de résistance à des dégâts. Cependant, quand la fraction de Fe est beaucoup plus basse, l'usinage de l'alliage devient difficile. La proportion de Fe est limitée entre 5 % et 25 % en considération du coût. La couche d'alliage ou l'overlay soudé de la présente invention est fixé à la totalité de la région périphérique qui entoure les ouvertures du trou. Cependant, il est possible de placer la couche d'alliage ou l'overlay soudé seulement autour de l'ouverture supérieure ou de l'ouverture inférieure du trou. Il est également possible d'utiliser l'alliage préféré A ou B, ou un autre alliage, à chacune des extrémités supérieure et inférieure du trou selon une combinaison quelconque. 26434 1 9 - 6 - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, qui sera mieux comprise en référence aux dessins annexes. La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un insert selon l'invention destiné à un moteur Diesel à injection indirecte. La figure 2 est une vue en plan de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessous de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe verticale avant soudage de la couche d'alliage. La figure 5 est une vue en coupe verticale après soudage de la couche d'alliage. La figure 6 est une vue en plan de la figure 5. La figure 7 est une vue schématique de l'appareil d'essai de fatigue thermique. La figure 8 est une vue schématique d'un support d'échantillon pour l'appareil d'essai, montrant le procédé de l'essai. La figure 9 est un graphique montrant les cycles de chauffage et de refroidissement de l'essai de fatigue thermique. La figure 10 est une vue en coupe verticale de l'insert dans laquelle la couche d'alliage entoure seulement l'extrémité supérieure du trcu. La figure 1l est une vue en coupe verticale de l'insert dans laquelle la couche d'alliage entoure seulement l'extrémité inférieure du trou. La figure 12 est une vue de dessous dans laquelle sont formées des craquelures. La figure 13 est une vue en plan dans laquelle se développent des craquelures. La figure 14 est une vue en coupe verticale dans laquelle la couche d'alliage est placée seulement sur les parties à angle aigu autour du trou, comme décrit dans les documents de l'art antérieur que sont les brevets japonais 62-112762 et 63-47346. La figure 15 est une vue en plan de la figure 14. La figure 16 est une vue de dessous de la figure 14. La figure 17 est une vue en coupe verticale d'un moteur Diesel à 7- injection indirecte comprenant un insert selon l'invention. La figure 18 est une vue schématique de l'appareil d'application de l'overlay soudé au plasma utilisé dans cette invention pour obtenir la couche d'alliage résistant à la chaleur. La figure 19 montre le montage de l'insert dans l'appareil d'application d'overlay soudé au plasma. Comme montré à la figure 17, un insert 1 est monté sur une culasse 14 et l'ouverture d'une chambre tourbillonnaire 15 est dirigée vers unè buse d'injection de carburant 16 et une bougie de préchauffage 17. La chambre tourbillonnaire 15 communique avec une chambre de combustion 18 par un trou annulaire d'allumage 2. L'air dans la chambre de combustion 18 est comprimé pendant la course de compression du piston 19 et l'air comprimé est introduit dans la chambre tourbillonnaire 15 par le trou 2 de manière qu'un tourbillon d'air comprimé soit produit dans la chambre tourbillonnaire 15 et que le carburant injecté dans le tourbillon d'air comprimé dans la chambre tourbillonnaire soit vaporisé. Le carburant, combiné à l'air, est automatiquement allumé et soumis à une pré-combustion. Il en résulte que la pression dans la chambre tourbillonnaire augmente rapidement et que l'augmentation de la pression est transmise à la chambre de combustion 18 par le trou annulaire d'allumage 2. La combustion du carburant et de l'air se poursuit dans la chambre de combustion et initie la course d'expansion. Comme l'insert 1 est normalement manipulé pendant sa fabrication et avant son installation à l'état retourné par rapport à celui qui est illustré à la figure 17, la surface d'extrémité qui, pendant l'utilisation, est adjacente de la chambre de combustion 18 est appelée partie supérieure de l'insert i. Le procédé de fabrication du mode de réalisation préféré de l'insert selon l'invention comprend les étapes suivantes: (i) Comme montré à la figure 4, des évidements 3 et 4 sont formés dans les surfaces supérieure et inférieure de la paroi supérieure du corps 1 de l'insert, par un procédé d'usinage ou de forgeage. (ii) Dans les évidements 3 et 4 sont soudés des alliages résistant à la chaleur pour former des couches d'alliage ou des éléments de recouvrement soudés 5 et 6. Les couches ou les-éléments de recouvrement sont alors soumis à une finition par forgeage pour obtenir des surfaces planes, et elles présentent l'aspect montré aux figures 5 et 6. (iii) Finalement, le trou 2 est percé comme montré aux figures 1-3. Des essais peuvent être réalisés sur les inserts pour établir une comparaison en ce qui concerne leurs propriétés de résistance à la chaleur. L'appareil d'essai est montré à la figure 7. Les corps des inserts 1 d'essai sont fixés aux supports 11, montrés plus en détail à la figure 8, et ils sont installés sur l'appareil d'essai 10. Les inserts d'essai 1 sont chauffés par le dessous au moyen du brûleur à gaz 12 Jusqu'à environ 900 C. Ensuite, l'appareil d'essai 10 est tourné et les inserts sont déplacés au-dessus d'un pulvérisateur 13. Les inserts sent refroidis à environ 40cC par pulvérisation d'eau, puis suit un refroidissement à l'air. Les cycles de chauffage et de refroidissement montrés à la figure 9 sont répétés 300 et 600 fois et ensuite on mesure les longueurs des fissures 7 et 8 montrées aux figures 12 et 13, et qui se sont développées dans les régions périphériques autour du trou 2. La résistance à la fatigue thermique est jugée par la somme des longueurs des craquelures. Les longueurs des craquelures sont également mesurées après 300 cycles à titre de comparaison. Exemple 1 L'appareil d'application d'overlay soudé au plasma est utilisé pour obtenir les couches d'alliage résistant à la chaleur 5 et 6 (figures 1 3) ayant pour composition (A1), (A2), (A3), (B1), (B2) et (B3) comme montré au Tableau I en remplissant les évidements 3 et 4 de soudure, et on utilise les poudres d'alliage suivantes pour constituer les métaux du plasma. La composition chimique de la poudre métallique formant le plasma est la suivante: -9 - (A1') (A21') (A3t) (B1') (B2') (B3') C 0,33 0,50 0,45 0,08 0,09 0,06 Si 0,87 0,60 0,99 0,28 0,30 0,16 Mn 2,01 1,O0 2,01 0,59 0,71 0,48 Cr 22,0 16,51 31,18 15,65 21,21 27,65 Ni 12,3 7,3 16,1 Comp Comp Comp Mo - - - 3, 88 5,21 7,06 W 12,5 15,1 20,9 8,35 5,30 4,00 Fe 6,71 6,5 12,82 4,59 6,97 12,82 Co Comp Comp Comp - - - (Dans ce Tableau, les poudres d'alliage (Ai') et (Bi') sont des matériaux utilisés pour obtenir les couches d'alliage (A) et (Bi) montrées au Tableau I,... i = 1 - 3). Au cours de l'opération d'application de l'overlay soudé, l'insert luim8me fond également, et la composition de la couche de recouvrement soudée obtenue est différente de la composition de la poudre métallique à plasma utilisée du fait que les poudres métalliques à plasma se diluent avec l'alliage fondu provenant de l'insert lui-m me. Quand l'opération d'application de l'overlay soudé est effectuée en une seule fois, 15 % en poids de l'alliage fondu provenant de l!insert lui-même sont contenus dans la couche d'alliage résistant à la chaleur. Cependant, la couche d'alliage de l'overlay soudé obtenue au cours de la première opération est à nouveau soudée pendant l'opération d'application de l'overlay soudé au plasma en utilisant la même poudre d'alliage que celle qui est utilisée pendant la première opération concernant les couches (A2) et (B2) et on obtient les couches d'alliage montrées au Tableau I. La figure 18 est une vue schématique de l'appareil d'application d'overlay soudé au plasma utilisé dans cet exemple, l'arc à plasma étant indiqué en 20, la voie suivie par le gaz de protection en 21, la torche à plasma en 25 et l'insert 1 étant placé sur le support 23 disposé dans l'organe de positionnement 24. Dans l'évidement 4 est soudé un overlay au moyen des poudres métalliques à plasma 19. On augmente la puissance du courant électrique quand les poudres sont - 10 - alimentées, l'insert est tourné pour éviter un échauffement local et la torche à plasma est animée d'un mouvement de va-et-vient pendant le soudage. Le courant électrique est appliqué sans être abaissé lorsque l'alimentation des poudres est terminée de manière à obtenir l'adhérence entre la couche d'overlay soudé et l'insert. Les conditions du fonctionnement utilisées dans cet exemple sont- les suivantes: gaz de plasma: 2,5 1/min gaz de protection: 15 1/min gaz porteur: 5 1/min mouvement de va-et-vient: largeur 12 mm, 1 seconde par tour centre de la torche: 4 rm depuis le centre de l'évidement organe de positionnement: 25 t/min vitesse d'alimentation des poudres: 0,3 g/sec courant électrique: 140 A tension électrique: 35 V rotation (secondes) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ,*t ' ' organe de positionnement *.|À !.. . I = mouvement de va-et-vient t ', courant électrique I t t _ - t I I tension électrique t ',, ', t, poudres, t, I t! ti t I A titre de comparaison, on a également réalisé des inserts en utilisant l'alliage C du Tableau I, par un procédé de forgeage sous refroidissement, l'alliage E du Tableau I par un procédé de coulée à la cire perdue, et l'alliage D. - il - Ces inserts ont été soumis à des essais comme décrit ci-dessus. Les résultats après 300 cycles de chauffage ont été: Essai A1, B1 (mm) A1 B1 C D E Craquelures comme à la figure 12 aucune aucune 6,1 13,6 10,5- Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 1,8 2,9 2,6 Essai A2, B2 21 2 A 2 B2 C D E Craquelures comme à la figure 12 aucune aucune 6,9 14,2 11,6 Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 2,0 2,6 2,4 Essai A3, B3 A3 B3 C D E Craquelures comme à la figure 12 aucune aucune 7,1 13,2 12,6 Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 2,1 2,7 2,3 les résultats après 600 cycles de chauffage et de refroidissement ont été: Essai Ai, B1 (mm) A1 B1 C D E Craquelures comme à la figure 12 1,0 4,0 10,5 19,3 19,3 Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 2,7 5,0 5,1 Essai A2, B2 A2 B2 C D E Craquelures comme à la figure 12 1,1 4,6 11,2 19,0 18,3 Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 2,9 5,1 4,8 Essai A3, B3 A3 B3 C D E Craquelures comme à la figure 12 0,9 4,9 12,3 18,9 19,6 Craquelures comme à la figure 13 aucune aucune 3,0 5,3 5,2 L'invention (% en poids) Comparaison Mat6riaux (A1) (A2) (A3) (B1) (B2) (B3) (C) (D) (E) C 0,12 0,3 0,5 0,4 0,09 0,09 0,07 0,06 0,04 0,12 Si 0,4 0,8 0,6 0,9 0,3 0,3 0,2 0,6 0,3 0,6 Mn 0,6 1,8 1,0 1,8 0,6 0,7 0,5 0,6 0,2 1,5 Cr 12,0 20,5 16,5 28,3 15,1 21,0 25,3 25,7 19,8 21,0 Ni - 10, 5 7,2 1,3,6 Comp Comp Comp 20,3 Comp 20,3 Mo - - - - 3,3 5,0 6,0 - - 2,5 W - 10,6 15,0 17,8 7,] 5,2 3,4 - - 2,7 Fe Comp 18,8 8,3 24,0 17,0 7,0 24,0 Comp 2,6 Comp Ti - - - - - - 2,0 Ai - - - - - - 1,2 - Co - Compmp Cp Comp - - - 19,8 Nb + Ta - - - - 0,9 matériaux: SUS 403 Comparaison (C): SUS 310S (D): NIMONIC80A (E): LCN155 - 13 - Exemple 2 Un insert comprenant la couche d'alliage résistant à la chaleur 6 en A1 et la couche d'alliage résistant à la chaleur 5 en B1 a été préparé par le procédé ci-dessus, et les essais de fatigue thermique ont été effectués en utilisant C, D et E comme contrôles. Les résultats des essais ont été: Craquelures comme montré à la figure 12 (mm) 300 cycles 600 cycles (AI) (B1) de la présente invention aucune 1,0 (C) 6,8 11,6 (D) 13,1 19,6 (E) 11,9 20,0 Craquelures comme montré à la figure 13 (mm) 300 cycles 600 cycles (A1) (B1) de la présente invention aucune aucune (C) 1,9 2,8 (D) 2,6 5,1 (E) 2,1 4,9 Exemple 3 On a réalisé des inserts selon l'art antérieur, dans lesquels les parties à angle-aigu 5' et 6' autour du trou 2 des figures 14 - 16 ont été munies des alliages A et B comme montré au Tableau I. Les inserts selon la présente-invention dans lesquels la région entourant les ouvertures du trou 2 sont munies de A1 et B1 comme à l'Exemple 2 ont été également produits. On a ensuite effectué les essais de fatigue thermique comme ci-dessus. Les résultats ont été: après 300 cycles: aucune craquelure après 600 cycles: A1 B1 présente invention 1,2 mm 3,8 mm Art antérieur 1,1 mm 3,8 mm Conclusions On peut déduire de ces résultats que les alliages résistant à la chaleur préférés selon les compositions A et B sont beaucoup moins -14- sujets à craquelures indiquant une fatigue thermique que les alliages connus C, D et E quand ils sont soumis à des chauffages et des refroidissements répétés. En outre, l'Exemple 3 montre que les inserts dans lesquels l'alliage résistant à la chaleur entoure les ouvertures du trou 2 ne sont pas dégradés de façon plus importante par la fatigue thermique que les inserts de l'art antérieur dans lesquels l'alliage résistant à la chaleur n'entoure que les angles aigus. Donc, les inserts de la présente invention sont avantageux car ifs constituent un matériau de surface uniforme quand on perce le trou 2, ce qui se traduit par une plus grande précision. - 15 - REVENDICATIONS 1. Insert pour moteur Diesel à injection indirecte comprenant une paroi cylindrique et une paroi supérieure formées en un acier résistance à la chaleur et un trou traversant, caractérisé en ce que l'une au moins des extrémités supérieure et inférieure du trou est entourée par une couche d'alliage ou par un élément de recouvrement ou overlay soudé présentant une résistance à la chaleur meilleure que celle de la paroi supérieure. 2. Insert selon la revendication 1, dans lequel chacune des extrémités supérieure et inférieure du trou est entourée par la couche d'alliage ou par l'overlay soudé. 3. Insert selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la couche d'alliage ou l'overlay soudé résistant à la chaleur comprend, en poids: C 0,5 % ou moins, Si 1,0 % ou moins, Mn 2,0 % ou moins, Ni 5 - 15 % Cr 10 -30 % W 10 - 20 % Fe 5 - 25 %, et Co constituant le complément, avec certaines impuretés inévitables. 4. Insert selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la la couche d'alliage ou l'overlay soudé résistant à la chaleur comprend, en poids: C 0,15 % ou moins, Si 0,5 % ou moins, Mn 1,0 % ou moins, Cr 10 %, Mo 3- 7%, W 3 10 % Fe 5'- 25 %, et Ni constituant le complément, avec certaines impuretés inévitables.