Brevet FR2675515A1 — publié le 19921023

La présente invention concerne un article en métal léger comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement en mousse céramique et son procédé de production. Il est souvent souhaitable de remplacer les métaux ferreux par des métaux légers tels que l'aluminium ou le magnésium et leurs alliages pour produire des articles pour lesquels les économies de poids sont importantes Par exemple, pour la fabrication de certaines pièces d'automobile, on a remplacé l'acier ou la fonte par des alliages d'aluminium En particulier, on a fabriqué des étriers de freins à disques en aluminium pour les voitures de course à hautes performances dans le but d'en réduire le poids. Les pièces telles que les étriers de freins sont soumises à des condi- tions de fonctionnement à haute température que les alliages d'aluminium coulés sont en général incapables de supporter sans subir une flexion ou un fluage On a fabriqué également des pièces de ce genre par usinage d'un bloc d'alliage d'aluminium, mais ceci constitue un procédé extrêmement coûteux et, d'autre part, la pièce usinée est encore confrontée aux mêmes problèmes de fonctionnement à haute température que les pièces produites sous forme de pièces coulées. Il est connu de renforcer les alliages en métal léger en des positions déterminées à l'intérieur de la pièce achevée ou de manière uniforme dans l'article à la manière d'un composite à matrice métallique Par exemple, on a proposé des renforcements céramiques particulaires ou fibreux pour améliorer les propriétés des pistons en alliage d'aluminium des moteurs à combustion interne, mais en général ces renforcements sont de forme relativement simple et sont constitués par exemple par un bourrelet cylindrique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un article en métal léger renforcé ainsi qu'un procédé pour sa production, dans lesquels le renforcement peut être de forme relativement complexe, est de production économique et est facile à incorporer dans l'alliage métallique. Dans son premier aspect, l'invention propose un article en métal léger coulé comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement en mousse céramique incorporés à l'intérieur de la matrice métallique en une ou plusieurs positions déterminées dans lesquelles un renforcement est nécessaire pour améliorer les propriétés physiques de l'alliage métallique. Dans un second aspect, l'invention propose un procédé de produc- tion d'un article en alliage léger coulé comprenant l'introduction d'un alliage léger fondu dans un moule contenant un ou plusieurs éléments de renforcement en mousse céramique en des positions déterminées à l'intérieur du moule qui correspondent aux positions dans lesquelles un renforcement est nécessaire pour améliorer les propriétés physiques de l'article coulé terminé, et permettant audit métal fondu de pénétrer dans les interstices du ou des éléments de renfor- cement en mousse céramique et de remplir ces interstices. Un tel article coulé peut être produit par un procédé de coulée connu tel que le procédé de coulée sous basse pression ou sous haute pression En général, un procédé de coulée sous haute pression est plus approprié lorsque le produit fini doit revêtir une forme relativement complexe et lorsque le renfor- cement en mousse céramique est relativement dense Ce renforcement en mousse céramique peut avoir une densité correspondant à un nombre de pores compris entre 10 pores pour 2,54 cm ( 1 pouce) (interstices qui peuvent être facilement remplis même dans procédé de coulée basse pression) et 100 pores pour 2,54 cm ou plus, bien que, comme on le comprendra, plus la densité de la mousse est élevée, plus sont élevées les pressions nécessaires dans l'opération de coulée pour permettre au métal fondu de pénétrer dans les interstices de la mousse céramique et de les remplir totalement. Une telle mousse céramique peut comprendre un aluminosilicate, de l'alumine, de la zircone ou de la mullite Il est judicieux de lui communiquer une forme prédéterminée voulue en formant tout d'abord un précurseur de mousse en matière plastique perdue (par exemple en polystyrène) de manière qu'il présente la forme voulue, en imprégnant le précurseur en matière plastique par immersion dans une suspension de matériau céramique puis en séchant le matériau céramique et en calcinant la matière plastique perdue de manière qu'il reste une mousse céramique de forme voulue. Les mousses céramiques produites par le procédé ci-dessus sont connues et sont utilisées comme filtres pour métaux fondus, ces filtres étant en général à usage unique Dans les utilisations de ce type, il n'est pas nécessaire que les mousses présentent des propriétés physiques particulières concernant par exemple la résistance mécanique ou la résistance à lusure, et en général elles sont de densité relativement faible, si bien que le métal fondu qui doit être filtré peut traverser facilement les pores lorsqu'on le verse simplement sur le filtre. Au contraire, la production d'articles coulés selon la présente invention constitue une utilisation des matériaux en mousse céramique qui est très différente de leur utilisation d'origine Les matériaux en mousse céramique de ce genre communiquent aux alliages légers coulés des propriétés de rigidité améliorées et il est possible de donner au préalable à ces matériaux une forme voulue quelconque afin de les incorporer à l'intérieur de l'article coulé Cest ainsi par exemple qu'il est possible d'incorporer des éléments de renforcement en mousse céramique préformés dans les parties d'un étrier de frein en métal léger qui sont soumises à des contraintes importantes et qui, en labsence d'un module d'élasticité amélioré et donc d'une rigidité améliorée selon la présente invention, seraient susceptibles de subir une flexion et un fluage dans les conditions de fonctionnement à haute température auxquelles ces étriers sont exposés dans les véhicules à haute performance En particulier, il est possible de préformer les éléments de renforcement en mousse céramique afin de les incorporer dans les arcades de ces étriers pour permettre aux étriers de résister aux forces qui agissent sur eux dans les directions axiales et circonférentielles par rapport au disque qui doit être freiné. On comprendra que les articles en métal léger coulé selon l'inven- tion peuvent trouver de nombreuses applications autres que les étriers de frein à disque Les éléments de renforcement en mousse céramique sont capables non seulement d'améliorer la rigidité, mais aussi de modifier le coefficient global de dilatation thermique d'un article coulé qui comprend de tels éléments et ils peuvent également être utilisés pour communiquer une résistance à rusure à la surface des articles en métal léger qui comportent ces éléments. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une photomicrographie à un grossissement de 7 d'une coupe d'un échantillon produit au laboratoire d'un alliage en métal léger coulé sous haute pression comportant un élément de renforcement en mousse céramique d'une densité correspondant à 60 pores pour 2,54 cm, la figure 2 est une vue de dessus relativement schématique d'un étrier de frein comportant des éléments de renforcement en mousse céramique selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant la ligne A-A de la figure 2. A titre d'essai, on a produit un article en métal léger selon linven- tion en coulant sous haute pression un alliage aluminium-cuivre- magnésium fondu autour d'un élément de renforcement en mousse céramique ayant une densité correspondant à 60 pores pour 2,54 cm ( 1 pouce) Le procédé de coulée sous haute pression comprenait l'introduction du métal liquide dans une première partie d'un moule dans laquelle était disposé le renforcement en mousse céramique, la fermeture du moule sous pression de manière que le métal liquide remplisse la cavité du moule sans retenir d'air, le maintien du métal sous pression au cours de la solidification pour assurer la fermeture et le comblement de toute cavité de retrait susceptible de se former, puis l'ouverture du moule et le retrait de l'article formé La pression appliquée à la masse fondue était de l'ordre de 54 M Pa à 100 M Pa, et cette pression a été maintenue pendant une durée de l'ordre de 15 à 90 s Pendant cette période de maintien de la pression, la température de la masse fondue était située typiquement entre 700 et 770 'C L'élément de renforcement en mousse céramique est capable en soi de conserver son intégrité dans ces conditions d'application prolongée de tempé- rature et de pression à la masse fondue, ce qui a pour effet que le métal liquide pénètre dans les interstices de lélément en mousse et remplit ces interstices. L'article en alliage d'aluminium expérimental décrit dans le para- graphe précédent était sous forme d'un échantillon analogue à un disque dont une section est représentée à un grossissement de 7 dans la photomicrographie de la figure 1 Sachant que les zones claires de cette figure correspondent à l'alliage d'aluminium et que les zones sombres correspondent au matériau en mousse céramique, on voit qu'il y a eu pénétration importante de lalliage d'aluminium dans les pores de la mousse céramique La zone claire plus homogène que l'on voit à la partie supérieure de l'échantillon sur la figure 1 représente une couche d'alliage d'aluminium formée sur l'échantillon, couche sous laquelle l'alliage d'aluminium est présent sous forme d'amas dispersés de métal séparés par le matériau céramique. L'échantillon produit au laboratoire qui est représenté sur la figure 1 et qui avait la forme simple d'un disque, a été produit par coulée sous haute pression d'un alliage d'aluminium dans un moule en forme de disque contenant un renforcement en mousse céramique en forme de disque Cependant, il est à noter que l'invention concerne principalement la production d'articles en métal léger renforcés comportant des renforcements en mousse céramique de forme relativement complexe On peut produire un renforcement de forme complexe de ce type en préparant tout d'abord un précurseur en matière plastique perdue tel que le polystyrène auquel on communique la forme voulue On plonge ensuite ce précurseur dans une suspension de matériau céramique puis on le sèche et on calcine la matière plastique perdue pour obtenir une mousse céramique de forme voulue On peut ensuite incorporer cette mousse céramique dans un article en alliage léger coulé selon l'invention en mettant en oeuvre un procédé de coulée sous haute pression ou sous basse pression. Les figures 2 et 3 représentent un étrier de frein 10 coulé sous haute pression qui comprend des éléments de renforcement en mousse céramique selon l'invention L'étrier 10 comporte 4 plaquettes de frein disposées en deux paires opposées dans les positions désignées par les signes de référence 12, 14 et 16, 18, chaque paire de plaquettes pouvant être amenée à porter sur les surfaces opposées d'un disque qui doit être freiné Sur la figure 2, l'axe de rotation du disque est représenté par la ligne en tireté 20 et le plan de rotation du disque est représenté par la ligne en tireté 22 En se référant à la figure 3, on voit que l'étrier comprend deux trous traversants 24, 26 qui peuvent recevoir des pistons hydrauliques (non représentés) pour déplacer les plaquettes de frein respectives vers le disque pour freiner celui-ci En fonctionnement, les parties de l'étrier 10 qui sont soumises aux plus fortes contraintes comprennent les arcades 28, 30 qui s'étendent suivant la circonférence du disque et les arcades 32, 34 qui s'étendent suivant son axe, et c'est dans ces parties qu'il est important de disposer les éléments de renforcement en mousse céramique 36, 38 selon l'invention La présence de ces éléments de renforcement améliore le module de l'étrier en métal coulé et le rend donc plus rigide contre les forces de flexion dans les parties susmentionnées. Bien que l'on ait décrit ici un mode de réalisation de l'invention en se référant à un étrier de frein en alliage d'aluminium coulé sous haute pression, on comprendra que l'invention soit applicable à de nombreux autres articles en métal léger produits par le même procédé de coulée ou par d'autres procédés de coulée. REVENDICATIONS 1 Article en métal léger coulé comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement incorporés à l'intérieur de la matrice métallique, caractérisé en ce que chacun des éléments de renforcement comprend un matériau en mousse céramique et est incorporé dans la matrice métallique en une ou plusieurs positions déterminées dans lesquelles un renforcement est nécessaire pour améliorer les propriétés physiques de l'alliage métallique. 2 Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de renforcement céramique ou chaque élément de renforcement céramique a une densité correspondant à un nombre de pores compris entre 10 pores pour 2,54 cm ( 1 pouce) et 100 pores pour 2,54 cm ( 1 pouce). 3 Article selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que l'élément de renforcement en mousse céramique ou chaque élément de renforcement en mousse céramique est choisi dans le groupe formé par un aluminosilicate, l'alumine, la zircone ou la mullite. 4 Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que l'élément de renforcement en mousse céramique ou chaque élément de renforcement en mousse céramique est produit par préparation sous une forme voulue d'un précurseur en matière plastique perdue, immersion du précurseur dans une suspension de matériau en mousse céramique puis calcination de la matière plastique perdue pour obtenir un élément de renforcement de la forme voulue. Article selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par un étrier ( 10) pour frein à disque dans lequel des éléments de renforcement en mousse céramique ( 36, 38) sont incorporés dans la matrice métallique en les positions ( 28, 30, 32, 34) de l'étrier qui, en fonctionnement, sont soumises à des contraintes importantes. 6 Article selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est produit par un procédé de coulée sous haute pression. 7 Procédé de production d'un article en alliage léger coulé contenant un ou plusieurs éléments de renforcement incorporés dans la matrice métallique, dans lequel un alliage léger fondu est introduit dans un moule contenant un ou plusieurs éléments de renforcement, caractérisé en ce que les éléments de renforcement comprennent un matériau en mousse céramique situé à l'intérieur du moule en des positions déterminées qui correspondent aux positions dans lesquelles un renforcement est nécessaire pour améliorer les propriétés physiques de l'article coulé terminé, et en ce que le métal fondu peut pénétrer dans les interstices du ou des éléments en mousse céramique et remplir ces interstices. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de renforcement en mousse céramique ou chaque élément de renforcement en mousse céramique a une densité correspondant à un nombre de pores situé entre 10 pores pour 2,54 cm et 100 pores pour 2,54 cm. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, carac- térisé en ce que l'élément de renforcement en mousse céramique ou chaque élément de renforcement en mousse céramique est choisi dans le groupe formé par un aluminosilicate, l'alumine, la zircone ou la mullite.