Brevet FR2638988A1 — publié le 19900518

PROCEDE DE COULEE DE PIECES A RENFORCEMENT LOCALISE TELLES QU'UN PISTON BIMETALLIQUE La presente invention se rapporte à un procède d'laboration de pieces de fonderie à renforcement localisé. Elle s'applique plus particulièrement aux pistons bimétalliques de moteurs à combustion interne. Plusieurs pieces importantes des moteurs à combustion interne sont réalisées en alliage d'aluminium (culasses, pistons), ceci afin d'ameliorer, entre autres, la diffusivitê thermique et l'allègement dés pièces en mouvement. Les tempfratures atteintes localement sont très elevees (intersoupapes de culasses, tete de pistons) et les caractéristiques mécaniques des alliages légers aux temperatures élevées (supérieures à 250 C) sont généralement assez faibles. Il s'avère donc nécessaire, dans le cadre de l'augmentation de la puissance des moteurs et de l'amélioration du rendement, d'accroitre localement les caractéristiques des alliages légers. Plusieurs techniques peuvent être envisagées : - assemblage mécanique de 2 métaux, - déport de ceramique par projection, - insertion de fibres céramique par méga pression, - insertion de composites (Al 2 0 3 + alliages) à la coule, - insertion d'alliages ferreux prerevêtus d'un déport favorisant la liaison : Zn, Sn ou Al appelé procédé "Alfin". Toutes ces techniques sont complexes et difficiles à mettre en oeuvre et l'obtention d'une bonne liaison métallurgique est soumise à de nombreux aléas. L'invention propose un procedé d'élaboration relativement simple de pieces de fonderie qui permet d'améliorer localement leurs caractéristiques mécaniques. Suivant une particularité essentielle, ce procédé consiste en coulées successives dans un meme moule de deux alliages de propriétés différentes, avec un moulage vertical et des alliages dont les intervalles de solidification sont compatibles, c'est-à-dire que la solidification du second alliage s'insère dans l'intervalle de solidification du premier, d'une part, et dont une quantité appropriée du premier alliage est solidifiee à la température de debut de solidification du second alliage, d'autre part. Ce procédé permet de realiser certaines zones de pieces dans un alliage peut-etre difficile à couler mais possédant de bonnes caracteristiques mécaniques à froid ou à chaud et une meilleure résistance aux chocs thermiques que l'alliage de base utilise pour fabriquer ces pieces. Ce dernier, qui a de bonnes propriétes de fonderie et des propriétés d'emploi satisfaisantes, remplirait le moule. L'intérêt de ce principe est d'obtenir une piece bimstallique en une seule operation, sans préparation d'insert. Il s'avere que la non-miscibilité de deux alliages liquides est possible grace à une difference de températures et d'intervalles de solidification et par le début de la solidification du premier alliage coulé avant le remplissage du moule par le second. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui suit d'un mode de realisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, en reference aux dessins annexes dans lesquels : - les figures 1A et 1B représentent des courbes d'analyse thermique des alliages AU5GT, AS12UNG et AS18UNG, - la figure 2 represente un mode opératoire schématique de moulage d'une piece bimetallique, - la figure 3 représente un piston de moteur Diesel bimétallique conforme à l'invention, - la figure 4 représente une vue en coupe suivant un plan de joint d'un outillage de moulage pour la coulée du piston de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en coupe de cet outillage de moulage suivant le plan A-A de la figure 4, - et les figures 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F et 6G représentent un mode opératoire schématique de moulage du piston illustre à la figure 3. Le choix des alliages de fonderie les plus performants comme alliages de renfort est conditions par l'examen des caractéristiques mecaniques à froid et à chaud de differents alliages dont la résistance à la rupture en fonction de la temperature et des courbes d'analyse thermique de ces alliages. La figure lA montre des courbes séparées de refroidissement des trois alliages AU5GT, AS12UNG et AS18UNG. La figure 1B montre qu'il est possible de faire correspondre à l'interface de deux alliages la tempfrature du premier alliage (AU5GT) en cours de solidification (600CC) avec celle du second alliage coule par dessus (AS18UNG), ce qui permet d'obtenir à cet interface une évolution constante de température, favorable à une bonne liaison. Sur la figure 1A, on constate qu'en coulant tardivement le second alliage il s'avere impossible de faire coincider les temperatures des deux alliages à l'interface. Si la coulee du second alliage est effectuee par contre trop tot, la temperature du premier alliage (AU5GT) est trop élevée, ce qui entraine une dissolution de cet alliage lors de la coulée du second (AS18UNG). Ces courbes d'analyse thermique montrent donc qu'il est possible de couler de l'AS18UNG ou de 1'AS12UNG sur de l'AU5GT partiellement solidifie et d'assurer à l'interface une temperature identique pour les deux alliages. Cette condition etant prépondérante pour l'obtention d'une bonne liaison mctallurglque, elle est réalisable en adaptant la coulee du second alliage à la tempfrature du premier. A la temporature de debut de solidification du second alliage, nous estimons à environ 60 à 75 S la quantité d'AU5GT solidifié. Nous voyons donc qu'il est envisageable de lier un alliage eutectique à un alliage à large intervalle de solidification lorsque la temperature de debut de solidification du second alliage coule s'insere dans l'intervalle de solidification du premier. C'est ce que nous appelons la compatibilité des intervalles de solidification. Il reste à déterminer les conditions technologiques permettant d'obtenir cet équilibre à l'interface, tout en assurant une solidification suffisante afin d'eviter l'érosion du premier alliage par le flot de métal lors de la coulée du second. Les opérations de moulage sont effectuées dans l'ordre suivant, conformément à la figure 2 - coulee de l'AU5GT en chute ou par l'intermédiaire d'un entonnoir avec une louche calibrée (figure 2A), - mise en action du refroidissement : soufflage d'air ou projection d'eau et inertage éventuel du moule à l'azote (figure 2B), - pose du noyau intérieur et de la rehausse (figure 2B), - attente jusqu'à solidification partielle de l'AU5GT, - coulée de l'AS12UNG par la masselotte (figure 2C), - démoulage après quelques minutes suivant le mode de refroidissement (figure 2D). La régularité de l'interface et l'efficacité de la liaison peuvent être examinees par - macrographie pour la régularité de l'interface et l'épaisseur d'AU5GT, - micrographie pour l'efficacité de la liaison et la continuité de la matiere à l'interface. Une bonne liaison metallurgique est définie comme une transition ininterrompue d'un alliage à l'autre et se caractcrise par une continuité de la solution solide. La condition qui permet d'obtenir une bonne liaison metallurgique est d'avoir à l'interface une température comprise entre 580"C et 6200C. L'obtention d'une température levée A l'interface conjuguée avec une ligne régulière n'est possible qu'avec un refroidissement accéléré. A titre d'exemple, le piston représenté sur la figure 3 peut etre élabore suivant deux versions : - le premier cordon et le trefle en AU5GT (niveau bas, version 1), - le premier cordon, le trefle et la gorge du segment coup de feu en AU5GT (niveau haut, version 2). L'outillage de moulage utilisé est illustré sur les figures 4 et 5. Cet outillage comporte - Quatre chapes 1 à 4 donnant la forme exterieure du piston 5 et dans lesquelles est taille le système de coulée 6 et de masselottage 7. Un renflement 8 (masselotte annulaire) initialement prévu pour absorber l'angle de raccordement de l'AU5GT avec le moule favorise l'alimentation. Les chapes inferieures 1 et 3 démontables permettaient de réaliser les 2 versions, niveaux bas et haut, de l'AU5GT. - Une embase inferieure 9 fixee sur le bati de la machine supporte le noyau 10 face compression dans lequel est prévu un refroidissement accéléré. La forme intérieure du piston 5 est obtenue selon le principe des moules de série. Le noyau 11 est en cinq morceaux. La cle centrale 11' fixée à un vérin permet le démoulage des trois morceaux visibles sur la figure 4. - Deux joues latérales demoulables manuellement (figure 5) completent le noyau interieur. - Deux broches encastrees 12 et 13 dans les chapes (figure 5) sont demoulablé-s mécaniquement. La figure 4 montre le systeme de coulee et de masselottage adopte. Une première descente exterieure permet la coulée de l'AUSGT. 2 coulées latérales reliées aux masselottes sont simultanément alimentées en AS18UNG pour remplir le moule. Ces attaques déposent sans turbulence de l'AS18UNG sur 1 'AU5GT. Le renflement annulaire complète le système d'alimentation. Le mode opératoire est illustré par des opérations schématisées a la figure 6. Le cycle est démarré moule ferme, les operations sont les suivantes - Coulee d'une quantite déterminée d'AUSGT par la descente exterieure (figure 6A) - Déclenchement du refroidissement de la face compression (figure 6B) - Attente solidification partielle de l'AUSGT (figure 6B) - Coulée de l'AS18UNG avec une louche à deux becs par les deux autres descentes (figure 6C) - Refroidissewient des broches - Attente solidification AS18UNG - Arrêt des refroidissements - Demoulage des broches (figure 6D) - Attente refroidissement AS18UNG - Demoulage des clefs du noyau intGrieur (figure 6E) - Démoulage manuel des joues latérales (figure 6F) - Démoulage des chapes (figure 6G) - Enlèvement de la pièce Pour la fermeture du moule, on inverse l'ordre de ces operations. Le temps de cycle total dure deux minutes. Il s'avere donc possible de réaliser une pièce avec deux alliages distincts en coulant successivement dans le meme meule les deux alliages en question. Une telle fabrication est réalisable avec de l'AU5GT comme ler alliage puis de l'AS18UNG ou de l'AS12UNG. Cette méthode est applicable avec d'autres alliages mais le systeme doit malgré tout satisfaire plusieurs conditions : - le moulage doit être vertical, - il faut que les intervalles de solidification soient compatibles, c'est-A-dire que la solidification du second alliage s'insere dans l'intervalle de solidification du premier. Il faut que 50 a 75 % du premier alliage soient solidifies à la température de début de solidification du second. Dans ces conditions, la liaison métallurgique obtenue entre les alliages est excellente et la resistance à la rupture de la liaison est au moins égale à celle des alliages liés. Ce principe doit permettre de réaliser une piece avec deux alliages a un moindre coût et avec un procede faisant intervenir les principes classiques de fonderie. D'autres alliages chargés en élé;nents qui forment des composés intermetalliques (Al - Co ; Al Ni ; Al Mn ; Al Ti ; Al Fe...) peuvent être utilises en remplacement de l'AU5GT. Le principe du bimétal peut être appliqué pour renforcer localement d'autres pièces en alliages legers comme l'intersoupape des culasses, on utilisera alors le menisque forme à la surface du premier alliage coule et qui depend de sa tension superficielle pour l'insérer en relief dans le second. REVENDICATIONS 1 - Procede de coulee de pieces à renforcement localise telles qu'un piston bimetallique, du type procurant une continuite de la solution solide propre à une bonne liaison metallurgique, caractérisé par des coulées successives dans un même moule de deux alliages distincts, au moyen d'un moulage vertical et de deux alliages dont les intervalles de solidification sont compatibles, c'est-à-dire que la tempErature de début de solidification du second alliage s'insère dans l'intervalle de solidification du premier, d'une part, et dont une quantite appropriee du premier alliage est solidifiée E la temperature de début de solidification du second alliage, d'autre part. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 50 a 75 X du premier alliage sont solidifies à la temperature de debut de solidification du second alliage. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérise en ce que le premier alliage est l'AU5GT et le second alliage 1 'ASl8UNG. 4 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier alliage est l'AU5GT et le second alliage 1 'ASl2UNG. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la température à l'interface est choisie entre 580"C et 6200C pour obtenir une bonne liaison métallurgique. 6 - Procede suivant la revendication 5, caracterise en ce que cette temperature élevée à l'interface conjuguee avec une ligne régulière est obtenue avec un refroidissement accéléré.