Brevet FR2695438A1 — publié le 19940311

La présente invention est relative à un dispositif de liaison entre deux pièces soumises à rotation ou à coulissement et utilisées à haute tempéra- ture, notamment pour une ligne d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. Les dispositifs de liaison soumis à des contraintes dues à des sollicitations mécaniques, thermiques dans des milieux chimiquement agressifs, ont des durées d'utilisation généralement limitées dans le temps, c'est notamment le cas dans les lignes d'échappe- ment d'un moteur de véhicule automobile. En effet, les lignes d'échappement comportent des pièces qui sont soumises à des contraintes de frottement, d'usure et à des températures de l'ordre de 400 à 8500 C sous un flux de gaz de combustion. Ces pièces généralement en métal sont adaptées pour résister à l'oxydation à chaud et présen- tent une tenue mécanique acceptable. Or, certaines zones des lignes d'échappement et plus particulièrement les zones soumises à rotation ou à coulissement comme par exemple les dispositifs de liaison entre le collecteur d'échappement et le conduit de sortie dudit collecteur subissent une abrasion importante dans des temps d'utilisation très courts ce qui entraine une rupture rapide des pièces. Cette abrasion est d'autant plus importante que les lignes d'échappement sont soumises à des vibra- tions de manière continue. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de liaison formant un couple de frottement entre deux pièces soumises à rotation ou à coulissement et à des variations de température d'environ 6000 C qui accepte des sollicitations en vibration importantes et qui présente une résistance à l'abrasion améliorée dans un milieu agressif constitué par les gaz de combustion. La présente invention a pour objet un dispositif de liaison entre deux pièces soumises à rotation ou à coulissement et comportant chacune une surface de contact avec l'autre desdites pièces, l'une des pièces étant en métal et l'autre desdites pièces étant en matériau composite, caractérisé en ce que le métal constituant la première pièce est un acier aluminié à haute température et le matériau composite constituant la seconde pièce est formé d'une structure fibreuse compactée à chaud avec une charge et un agglomérant, ladite charge étant préalablement mélangée à une silico- ne. Selon d'autres caractéristiques de l'inven- tion l'acier aluminié est un acier allié revêtu d 'aluminium par un procédé de trempé à chaud en continu et dont la composition pondérale est la suivante carbone de 0,01 à 0,03 % manganèse de 0,2 à 0,5 % soufre de 0,01 à 0,04 % titane de 0,1 à 0,3 % phosphore de 0,005 à 0,04 %, l'acier aluminié est un acier allié revêtu d'aluminium par un procédé de trempé à chaud en continu et dont la composition pondérale est la suivante carbone de 0,002 à 0,015 % chrome de 0,6 à 1,2 % aluminium de 0,6 à 1,2 % niobium de 0,1 à 0,4 % titane de 0,1 à 0,4 %, la température de compactage de la struc- ture fibreuse est supérieure à 200 'C, la charge est composée d'un carbone et/ou d'un carbonate, le carbonate est un carbonate de calcium, de potassium ou de sodium, l'agglomérant est une résine phénolique, la structure fibreuse est constituée par des fibres d'acier, la pièce en matériau composite est constituée par un joint d'étanchéité en forme de bague et de préférence une bague sphérique, la pièce en métal est constituée par un conduit muni à son extrémité destinée à coopérer avec la pièce en matériau composite d'une collerette. La présente invention a également pour objet une ligne d'échappement pour un moteur de véhicule automobile, du type comportant un collecteur d 'échappe- ment, un conduit de sortie du collecteur relié à un pot d'échappement et des moyens de raccordement entre le collecteur et le conduit de sortie, munis d'un joint d'étanchéité en matériau composite, caractérisée en ce que les moyens de raccordement sont formés par un dispositif de liaison tel que mentionné ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la Fig 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement d'un moteur de véhicule automobile, la Fig 2 est une vue schématique en coupe du dispositif de liaison entre le collecteur et le conduit de sortie dudit collecteur. Ainsi que l'on peut le voir sur la Fig 1, une ligne d'échappement désignée de manière générale par la référence 1, pour un moteur 2 par exemple à quatre cylindres, notamment de véhicule automobile, comporte un collecteur d'échappement désigné dans son ensemble par la référence 3. Ce collecteur d'échappement 3 comprend par exemple quatre conduits dont chacun présente une extré- mité reliée à un cylindre du moteur et une autre extré- mité reliée à un conduit de sortie 4 de ce collecteur. Ce conduit de sortie 4 est relié à un pot d'échappement qui comprend par exemple un convertisseur catalytique 5 et un conduit de liaison 6 à un silencieux non représenté. La ligne d'échappement se compose de deux parties distinctes, une partie chaude A proche du moteur 2 qui regroupe le collecteur 3, le conduit de sortie 4 et le convertisseur catalytique 5 et une partie froide B, en aval du convertisseur catalytique 5, qui regroupe le conduit de liaison 6 et le silencieux. Le collecteur d'échappement 3 et le conduit de sortie 4 de ce collecteur sont reliés entre eux par un dispositif de liaison désigné de façon générale par la référence 10 et représenté à la Fig 2. Le dispositif de liaison 10 forme un couple de frottement entre le collecteur 3 et le conduit de sortie 4 qui sont soumis à des mouvements de rotation ou de coulissement l'un par rapport à l'autre. Le conduit de sortie 4 comporte à son extrémité dirigée vers le collecteur 3, une collerette 4 a dont la surface interne est en contact avec la surface externe d'un joint 11 monté à l'extrémité 3 a du collec- teur 3 et qui assure l'étanchéité aux gaz d'échappement. Le dispositif de liaison 10 comporte égale- ment un organe élastique non représenté de maintien du conduit de sortie 4 sur le joint 11, tout en autorisant le déplacement angulaire dudit conduit de sortie. Le joint 11 est constitué par une bague et de préférence une bague sphérique. Dans les lignes d'échappement comportant un convertisseur catalytique, les conditions de fonctionne- ment imposent une fonction supplémentaire de dépollution chimique des gaz par des compositions. La partie chaude A est soumise à des tempéra- tures qui varient avec les différents types de motorisa- tion, de conduite et en fonction de la conception des lignes comme par exemple le calorifugeage, la ventila- tion L'exothermicité des réactions chimiques se développant dans le convertisseur catalytique 5 entraîne une élévation de température supplémentaire de la partie chaude d'environ 1001 C et les gaz soumis à catalyse peuvent subir une élévation de température supplémentaire d'environ 1000 C. En sortie du collecteur d'échappement 3, le conduit de sortie 4 et l'enveloppe du convertisseur catalytique 5 peuvent atteindre des températures variant de 500 à 8500 C. L'augmentation de la température de la partie chaude modifie totalement le comportement des alliages constituant les éléments de cette partie chaude, d'une part, dans le domaine de la corrosion par oxydation des parties internes due aux gaz d'échappement et des surfaces externes par projection de boue et de sel, et d 'autre part, dans le domaine des contraintes dues aux sollicitations mécaniques et thermiques telles que vibrations et frottements, notamment à température élevée. Des alliages mis au point ont permis d'appor- ter une solution à la corrosion de la partie chaude, comme par exemple des aciers aluminiés revêtus en continu par trempé à chaud dans un bain fondu d'aluminium. Bien que ces aciers possède une bonne résistance à la corrosion chimique et il s'est avéré que du point de vue du frottement à haute température, il présente un taux d'usure non négligeable. Pour un véhicule comportant une ligne d'échappement soumise à une température supérieure à 500 QC et dont le dispositif de liaison 10 comporte une bague selon l'art antérieur constituée d'un tricot métallique chargé par exemple de graphite et/ou de mica, l'épaisseur du conduit de sortie 4 au niveau du collet 4 a est réduite des deux tiers après un temps d'utilisa- tion correspondant à un usage du véhicule sur une distance de 5 à 10000 kms. Cette usure rapide entraîne la percée du conduit de sortie 4 et la destruction totale du disposi- tif de liaison 10. Selon l'invention, l'acier aluminié consti- tuant le conduit de sortie 4 est un acier allié revêtu d'aluminium par un procédé de trempé à chaud en continu et le joint 11 en matériau composite est formé d'une structure fibreuse compactée à chaud avec une charge et un agglomérant, ladite charge étant préalablement mélangée à une silicone. La composition pondérale de 1 'acier allié est la suivante: carbone de 0, 01 à 0,03 % manganèse de 0,2 à 0,5 % soufre de 0,01 à 0,04 % titane de 0,1 à 0,3 % phosphore de 0,005 à 0,04 %, et de préférence la suivante: 0,02 % de carbone 0,03 % de manganèse 0,02 % de soufre 0,2 % de titane 0,02 % de phosphore. Selon une variante, la composition pondérale de l'acier allié est la suivante: carbone de 0,002 à 0,015 % chrome de 0,6 à 1,2 % aluminium de 0,6 à 1,2 % niobium de 0,1 à 0,4 % titane de 0,1 à 0,4 % et de préférence la suivante: 0,01 % de carbone 0,9 % de chrome 0,9 % d'aluminium 0,2 % de niobium 0,2 % de titane. La température de compactage de la structure fibreuse composant le joint 11 est supérieure à 2000 C. La charge est composée d'un carbone et/ou d'un carbonate comme par exemple le carbonate de calcium, de potassium ou de sodium. Cette charge peut également être constituée par une poudre ayant les caractéristiques d'un réfrac- taire tel que le nitrure de bore, l'alumine, le mica, l'oxyde de titane mélangé avec un liant ayant une bonne mouillabilité et une stabilité thermique tel qu'une silicone. La charge par exemple de carbone est mélangée avec un diméthyle ou un phényle silicone, puis associée à des fibres d'acier et à une résine phénolique qui est l'agglomérant, lors d'un compactage, en moule, de la pièce en matériau composite à la température d'environ 250 OC. Il a été constaté que les dispositifs de liaison selon la présente invention ne génèrent aucune usure prématurée de la pièce en métal après les tests effectués dans les mêmes conditions. Un tel dispositif de liaison peut convenir dans toutes autres applications comme par exemple pour des paliers de maintien de ligne, des éléments de guidage glissant ou coulissant dans des milieux soumis à des températures très élevées et à une corrosion en milieu humide et salin. REVENDICATIONS 1 Dispositif de liaison entre deux pièces ( 4, 11) soumises à rotation ou à coulissement et compor- tant chacune une surface de contact avec l'autre desdites pièces, l'une ( 4) des pièces étant en métal et l'autre ( 11) desdites pièces étant en matériau composite, caractérisé en ce que le métal constituant la première pièce ( 4) est un acier aluminié à haute température et le matériau composite constituant la seconde pièce ( 11) est formé d'une structure fibreuse compactée à chaud avec une charge et un agglomérant, ladite charge étant préalablement mélangée à une silicone. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier aluminié est un acier allié revêtu d'aluminium par un procédé de trempé à chaud en continu et dont la composition pondérale est la suivante: carbone de 0,01 à 0,03 % manganèse de 0,2 à 0,5 % soufre de 0, 01 à 0,04 % titane de 0,1 à 0,3 % phosphore de 0,005 à 0,04 %. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition pondérale de l'acier allié est de préférence la suivante 0,02 % de carbone 0,3 % de manganèse 0,02 % de soufre 0,2 % de titane 0,02 % de phosphore. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier aluminié est un acier allié revêtu d'aluminium par un procédé de trempé à chaud en continu et dont la composition pondérale est la suivante: carbone de 0,002 à 0,015 % chrome de 0,6 à 1, 2 % aluminium de 0,6 à 1,2 % niobium de 0,1 à 0,4 % titane de 0,1 à 0,4 %. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la composition pondérale de l'acier allié est de préférence la suivante 0, 01 % de carbone 0,9 % de chrome 0,9 % d'aluminium 0,2 % de niobium 0,2 % de titane. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de compactage de la structure fibreuse est supérieure à 200 'C. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge est composée d'un carbone et/ou d'un carbonate. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le carbonate est un carbonate de calcium, de potassium ou de sodium. 9 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agglomérant est une résine phénolique. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure fibreuse est formée par des fibres d'acier. 11 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce en matériau composite est constituée par un joint d'étanchéité ( 11) en forme de bague et de préférence d'une bague sphérique. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce en métal est constituée par un conduit ( 4) muni à son extrémité destinée à coopérer avec la pièce ( 11) en matériau composite d'une collerette ( 4 a). il 13 Ligne d'échappement pour un moteur de véhicule automobile, du type comportant un collecteur d'échappement ( 3), un conduit de sortie ( 4) du collecteur relié à un pot d'échappement ( 5, 6) et des moyens ( 10) de raccordement entre le collecteur ( 3) et le conduit de sortie ( 4), munis d'un joint d'étanchéité ( 11) en matériau composite, caractérisée en ce que les moyens de raccordement sont formés par un dispositif de liaison ( 10) selon l'une quelconque des revendications précéden- tes. 14 Ligne d'échappement selon la revendica- tion 13, caractérisée en ce que le conduit de sortie ( 4) est un acier aluminié à haute température. Ligne d'échappement selon la revendica- tion 13, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité ( 11) en matériau composite est formé par une bague constituée d'une structure fibreuse compactée à chaud avec une charge et un agglomérant, ladite charge étant préalablement mélangée à une silicone.