Brevet FR2682899A1 — publié le 19930430

PROCEDE DE COULEE D'UNE CULASSE A RENFORCEMENT LOCALISE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention se rapporte à un procédé d'élaboration de pièces de fonderie à renforcement localisé. Elle concerne plus particulièrement un procédé de coulée d'une culasse pour moteur à combustion interne équipant notamment les véhicules automobiles, ainsi qu'un dispositif de moulage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'utilisation d'alliages légers à base d'aluminium, du type AS18UNG ou AS5U3G dans les moteurs à combustion interne tend à se généraliser, ceci afin d'améliorer, entre autre, l'allégement des pièces et les échanges thermiques. A ce titre l'emploi de l'alliage AS5U3G est particulièrement intéressant pour la réalisation des culasses, cependant cette utilisation est freinée, en particulier pour les moteurs de forte puissance qui en ont pourtant le plus besoin, par sa mauvaise tenue en température. En effet les caractéristiques mécaniques de cet alliage chute au dessus de 2500C, or les culasses sont soumises, en particulier au niveau du plan de joint de la culasse côté carter cylindres, à des températures extrêmement élevées et plus particulièrement dans les zones intersoupapes, zones qui sont par ailleurs très sollicitées mécaniquement. Pour utiliser les alliages légers dans la réalisation des culasses, il est donc nécessaire de renforcer les zones chargées thermiquement. Plusieurs techniques de renforcement localisé ont été envisagées - assemblage mécanique d'une pièce métallique de renfort, - dépôt de céramique par projection, - insertion de fibres céramiques par méga-pression, - insertion de composites (A1203 + alliages) à la coulée, - ou encore, insertion d'alliages ferreux pré-revêtus d'un dépôt favorisant la liaison : Zn, Sn ou Al, ce procédé étant encore connu sous le nom de procédé "Afin". Ces différentes techniques sont toutes complexes et extrêmement difficiles à mettre en oeuvre industriellement. De plus l'obtention d'une bonne liaison métallurgique entre le renfort et le substrat, condition impérative de la tenue mécanique de la culasse, est soumise à de nombreux aléas. I1 en résulte que. les culasses en alliage léger ainsi renforcées sont produites à un coût élevé qui freine leur large diffusion. La présente invention a pour but de supprimer les inconvénients précités en proposant un procédé d'élaboration de culasses dites "bimétalliques" relativement simple qui permet d'améliorer localement leurs caractéristiques mécaniques et ce, de manière très fiable. Le procédé selon l'invention consiste à réaliser une pièce en alliage léger renforcée localement, en coulant successivement dans un même moule un premier alliage dit "de renfort", possédant d'excellentes caractéristiques de tenue en température et de résistance mécanique, puis un second alliage dit "de base" constitué par un alliage d'aluminium classique. La coulée successive de deux alliages dans le même moule a été initiée par la Demanderesse pour la réalisation de pistons pour moteur à combustion interne et décrit dans la demande de brevet français numéro 2.638.988, où il s'agissait de superposer deux couches d'alliages distincts. Suivant une particularité d'une telle coulée, il est nécessaire d'utiliser des alliages dont les intervalles de solidification sont compatibles, c'est à dire que la température de début de 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 solidifiée à la température de début de solidification du second alliage d'autre part. La non miscibilité des deux alliages utilisés est possible grâce aux différences entre les intervalles de solidification : forme et température. Le premier doit avoir un début de solidification ou liquidus élevé et se déposer essentiellement sous forme . de solution solide pendant tout l'intervalle de solidification, le second doit, lui, avoir un liquidus plus bas et déposer à cette température la plupart de sa solution solide. Par ailleurs, il est nécessaire que la solidification eutectique du second alliage s'opère à une température suffisamment basse pour que la solidification du premier soit alors très avancée, ainsi le dégagement de chaleur induit par cette solidification eutectique n'affecte pas la liaison métallurgique qui s'est déjà établie entre les deux alliages. Ces diverses conditions permettent d'obtenir une très bonne liaison métallurgique à l'interface des deux alliages, caractérisée par une continuité de la solution solide entre les deux alliages. Le procédé selon l'invention concerne donc la coulée d'une culasse à renforcement localisé pour moteur à combustion interne, par coulées successives dans un même moule d'un premier alliage ou alliage de renfort et d'un second alliage ou alliage de base, les deux alliages ayant des intervalles de solidification compatibles, la température de début de solidification du second alliage s'insèrant dans l'intervalle de solidification du premier. Selon l'invention le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - coulée du premier alliage dans le moule de façon à former au moins un ménisque en saillie à l'intérieur de la cavité définissant la culasse, ledit ménisque s'étendant dans les zones de la culasse à renforcer ; - refroidissement jusqu'au dépôt en phase solide d'une partie prédéterminée du premier alliage ; - coulée du second alliage jusqu'à remplir entièrement ladite cavité, ledit ménisque se trouvant alors inséré à l'intérieur dudit second alliage. Ainsi le procédé suivant l'invention permet de renforcer la surface d'une pièce dans des zones très précises et non pas de manière uniforme sur toute la surface. Selon une autre caractéristique du procédé de coulée selon l'invention, la quantité, la température, la pression métallo-statique et la vitesse d'écoulement de l'alliage de renfort sont prédéterminées de manière à ce que ledit alliage forme un ménisque en saillie de hauteur prédéterminée. Selon une autre caractéristique du procédé de coulée selon l'invention, la température et la vitesse d'écoulement de l'alliage de base sont prédéterminées de manière à former à l'interface entre les deux alliages, au niveau de la surface du ménisque, une liaison métallurgique. Selon une autre caractéristique du procédé de coulée selon l'invention, l'alliage de base est coulé par basse pression. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un moule comprenant un caisson et une embase dans lesquels sont enfermés une empreinte et des noyaux formant la cavité définissant la culasse à mouler, ladite empreinte étant positionnée de façon que le plan de joint de la culasse, côté carter cylindres, soit défini par la surface supérieure de l'embase et ladite embase présentant un évidement adapté destiné à recueillir l'alliage de renfort, ledit évidement étant agencé à la surface supérieure de l'embase au droit des zones de la culasse devant être renforcées. Ainsi l'intérêt du procédé est d'obtenir une culasse bimétallique en une seule opération, sans préparation et pose d'insert, ce qui représente un gain de temps appréciable notamment pour des fabrications de grande série. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de moulage utilisé pour la mise oeuvre du procédé selon l'invention ; les figures 2 et 3 sont des vues similaires à la figure 1 précisant les différentes étapes du procédé selon l'invention : respectivement la coulée du premier et du second alliage la figure 4 est une vue de dessous schématique partielle, en coupe suivant l'axe IV-IV représenté figure 3, du dispositif de moulage et, la figure 5 est une vue schématique partielle, en coupe transversale suivant l'axe V-V représenté figure 3, du dispositif de moulage. Conformément à la figure 1 le dispositif de moulage pour la mise en oeuvre du procédé de coulée d'une culasse à renforcement localisé pour moteur à combustion selon l'invention, comprend essentiellement un moule (1) renfermant une empreinte et des noyaux, en sable aggloméré, qui forment une cavité (10) définissant la culasse à mouler. Les parois du moule (1) sont formées de deux parties distinctes : un élément de moule inférieur ou embase (3) et un élément de moule supérieur ou caisson (2). Ces deux éléments de moule (2,3) peuvent être également réalisés en sable aggloméré ou bien encore être en métal, ils sont maintenus en place entre les deux plateaux métalliques (4,5) d'une presse. L'empreinte et les noyaux sont agencés dans le moule (1) de façon que le plan de joint de la culasse, côté carter cylindres, soit défini par la surface supérieure de l'embase (3). Cette embase (3), qui se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire, comprend un évidement adéquat (11) s'étendant à la surface supérieure. L'évidement (11) communique extérieurement par un canal d'amenée (9) qui débouche sur une face latérale au droit d'un godet de coulée (13). Cet évidement (11), destiné à recueillir le premier alliage coulé à savoir l'alliage de renfort, s'étend au droit des zones de la culasse devant être renforcées, en respectant soigneusement les contours de ces dernières. Le rôle de cet évidement (11) disposé en retrait de la culasse sera précisé dans la suite de la description. L'embase (3) présente par ailleurs une série de passages verticaux ou attaques de coulée (8) pour la mise en place du second alliage. Ces passages (8) débouchent à la surface supérieure de l'embase (3) autour de l'évidement (11) au droit de la cavité (10) définie par l'empreinte et les noyaux, sensiblement au niveau des puits de vis de la culasse. Le plateau inférieur (5) de la presse, sur lequel repose l'embase (3), est traversé par une buse (6) d'amenée du second alliage qui alimente, par l'intermédiaire d'un canal répartiteur (7), formé à la surface supérieure du plateau (5) les différents passages (8). La buse est directement reliée à un four non figuré disposé sous le plateau (5). Conformément à la description qui précède et aux figures 2 et 3, le. procédé de coulée comporte les opérations suivantes - coulée du premier alliage ou alliage de renfort constitué par de 1'AU5GT ; cet alliage est coulé liquide, à environ 7500C, dans le godet de coulée (13) prévu à cet effet, la quantité, la hauteur métallo-statique, ainsi que la vitesse d'écoulement de l'alliage sont soigneusement contrôlées de façon que l'alliage remplisse l'évidement (11) et forme un ménisque (21) qui dépasse, sans couler, d'une valeur prédéterminée la surface supérieure de la plaque formant l'embase (3) - refroidissement naturel ou accéléré du moule jusqu'à atteindre une température comprise entre 6200C et 5800C à la surface du ménisque (21) - coulée du second alliage ou alliage de base, en l'occurrence de l'AS5U3G, à une température comprise entre 700 et 7500C, par coulée basse pression à travers la buse (6) et les passages (8) prévus à cet effet dans l'embase (3), et ce jusqu'à remplir entièrement l'empreinte de la culasse ; le ménisque du premier alliage est alors totalement inséré dans ce second alliage ; - démoulage après un certain temps variable suivant le mode de refroidissement choisi, - et, enfin usinage de la culasse pour éliminer notamment la partie de l'alliage de renfort en saillie hors du plan de joint et qui occupait le fond de l'évidement (11). Seul, donc, l'alliage de renfort formant le ménisque (21), et donc situé au dessus de la surface de l'embase (3), demeure en place dans la culasse terminée. Ainsi l'alliage de renfort présent dans la culasse est positionné tant du point de vue de sa localisation que de son épaisseur en l'absence de toute forme moulante côté culasse, et ce grâce à l'évidement (11). La forme de l'évidement (11), et notamment sa profondeur ainsi que l'inclinaison de ces parois, est optimisée pour obtenir le ménisque (21) désiré tout en ayant un volume minimum pour l'évidement de façon à diminuer les chutes en alliage AU5GT. Par ailleurs, conformément au principe de la coulée bimétallique, il est préférable de commencer la coulée du second alliage lorsque 50 à 75 % du premier alliage se sont solidifiés. Dans ces conditions, la liaison métallurgique obtenue entre les alliages est excellente et la résistance à la rupture de la liaison est au moins égale à celle des alliages liés. La figure 4 permet de préciser la forme donnée à l'implantation de l'alliage de renfort (21) ainsi que les zones de la culasse qui ont été protégées. Cette forme correspond donc à la forme de l'évidement (11) défini à la surface supérieure de l'embase (3). Conformément à la figure l'alliage de renfort (21) est déposé de façon à recouvrir continûment l'ensemble des zones inter-soupapes de la culasse. La figure 5 précise de manière schématique quant à elle l'implantation de l'alliage de renfort dans la culasse et la liaison entre les deux alliages. La mise en place du ménisque (21) est obtenue grâce à la tension superficielle de l'alliage liquide, l'évidement (11) a donc une profondeur adapté à la coulabilité de l'alliage de façon que l'ensemble de l'évidement puisse être entièrement rempli d'alliage liquide. La hauteur du ménisque peut être modifiée en jouant sur la composition de l'alliage ou encore sur la température de coulée. Il est ainsi possible de générer des ménisques pouvant atteindre 12 mm. Dans l'exemple décrit, avec de l'AU5GT coulé à 7500C le ménisque atteint une hauteur de 10 mm, parfaitement adaptée à la protection des zones inter-soupapes des moteurs équipant les véhicules de tourisme. Lors de la coulée du second alliage dans la cavité (10) le ménisque en phase de solidification se retrouve alors inséré dans le second alliage. L'interface de liaison entre les deux alliages est formée non seulement de la face supérieure mais encore des bords latéraux ce qui offre une très grande solidité à la liaison inter-métallique. Il s'avère donc possible de réaliser une culasse avec deux alliages distincts, dont l'un est inclu dans 11 autre, en coulant successivement dans le même moule les deux alliages en question. Une telle fabrication est réalisable avec de 1'AU5GT comme premier alliage ou alliage de renfort, et de l'AS5U3G comme second alliage ou alliage de base, mais il est bien évident que d'autres alliages peuvent être utilisés à condition que les intervalles de solidification soient compatibles, c'est à dire que la solidification du second alliage s'insère dans l'intervalle de solidification du premier. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi il est bien évidemment possible de faire varier la localisation du dépôt de renfort au niveau du plan de joint de la soupape et en particulier de ne pas recouvrir les zones interfûts en utilisant si besoin plusieurs évidements à la surface de l'embase et plusieurs canaux d'amenée. REVENDICATIONS [1] Procédé de coulée d'une culasse à renforcement localisé pour moteur à combustion interne, par coulées successives dans un même moule (1) d'un premier alliage ou alliage de renfort (AU5GT) et d'un second alliage ou alliage de base (AS5U3G), les deux alliages ayant des intervalles de solidification compatibles, la température de début de solidification du second alliage s'insèrant dans l'intervalle de solidification du premier, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - coulée du premier alliage (AU5GT) dans le moule (1) de façon à former au moins un ménisque (21) en saillie à l'intérieur de la cavité (10) définissant la culasse , ledit ménisque (21) s'étendant dans les zones de la culasse à renforcer - refroidissement jusqu'au dépôt en phase solide d'une partie prédéterminée du premier alliage (AU5GT) - coulée du second alliage (AS5U3G) jusqu'à remplir entièrement ladite cavité (10), ledit ménisque (21) se trouvant alors inséré à l'intérieur dudit second alliage (AS5U3G). [2] Procédé de coulée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité, la température, la pression métallo-statique et la vitesse d'écoulement de l'alliage de renfort (AU5GT) sont prédéterminées de manière à ce que ledit alliage (AU5GT) forme un ménisque (21) en saillie de hauteur prédéterminée. [3] Procédé de coulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la température et la vitesse d'écoulement de l'alliage de base (AS5U3G) sont prédéterminées de manière à constituer une liaison métallurgique à l'interface entre les deux alliages (AS5U3G,AU5GT), ladite interface étant formée par la surface du ménisque (21). [4] Procédé de coulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alliage de base (AS5U3G) est coulé par basse pression. (5] Procédé de coulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alliage de renfort est l'AU5GT et en ce que l'alliage de base est l'AS5U3G. [6] Procédé pour coulée une culasse selon la revendication 5, caractérisé en ce que la coulée du second alliage (AS5U3G) est opérée lorsque -la température à la surface du ménisque est comprise entre 580 et 6200C pour obtenir une bonne liaison métallurgique. (7] Procédé de coulée selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que 50 à 75 % de l'alliage de renfort (AU5GT) sont solidifiés à la température de début de solidification de l'alliage de base (AS5U3G). [8] Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moule (1) formé par un caisson (2) et une embase (3) dans lesquels sont enfermés une empreinte et des noyaux formant la cavité (10) définissant la culasse à mouler, ladite empreinte étant positionnée de façon que le plan de joint de la culasse, côté carter cylindres, soit défini par la surface supérieure de l'embase (3) et ladite embase présentant un évidement adapté (11) destiné à recueillir l'alliage de renfort (AU5GT), ledit évidement (11) étant agencé à la surface supérieure de l'embase (3) au droit des zones de la culasse devant être renforcées. [9] Dispositif de moulage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit évidement (11) à une forme prédéterminée aux caractéristiques du ménisque (21). [10] Dispositif de moulage selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que l'embase (3) présente une série de passages verticaux (8) pour la coulée de l'alliage de base (AS5U3G), lesdits passages débouchant à la surface supérieure de l'embase (3) autour de l'évidement (11).