Brevet FR2755981A1 — publié le 19980522

COMPOSITE DE METAL RESISTANT A L'USURE ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 1. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un composite de métal résistant à l'usure qui est utilisé pour des éléments qui doivent être résistants à l'usure, comme par exemple les blocs de culasse, les pistons et similaire, dans les moteurs à combustion interne. 2. DESCRIPTION DE L'ART ANNEXE On avait déjà utilisé des composites de métaux résistants à l'usure pour des éléments coulissants d'un bloc de culasse d'un moteur à combustion interne. Par exemple, on avait déjà utilisé un tel composite de métal résistant à l'usure pour un élément coulissant, o on avait ajouté à de l'aluminium un matériau de renforcement constitué de fibres courtes d'alumine et de particules de mullite, voir publication de brevet japonais mise à la disposition du public pour consultation No. 6-322459. Par ailleurs, dans le brevet U.S. No. 5228494, on décrit un composite de métal dans lequel des particules de renforcement, par exemple de graphite, de cendres volantes ou de cendres d'huiles ou similaire sont mélangées à une masse fondue d'aluminium. Toutefois, les composites de métal résistants à l'usure antérieurs, mentionnés ci-dessus, présentent les problèmes décrits ci-après. En particulier, dans l'élément coulissant de l'art antérieur, les fibres courtes d'alumine et les particules de mullite sont d'un coût élevé. Pour cette raison, il est difficile de fabriquer des composites de métaux résistants à l'usure à un coût bas. En outre, dans ce dernier composite de métal, l'aluminium métal fondu contenant les particules de renforcement est coulé dans un moule et, en même temps il faut agiter le mélange pour ne pas avoir de différences de concentration des particules de renforcement, par suite de leur précipitation au moulage. Pour cette raison les opérations de fusion sont compliquées. Par ailleurs, on a décrit dans le brevet U.S. No. 5228494 un procédé pour renforcer la totalité d'un composite de métal. Toutefois, dans ce cas, certaines parties sont renforcées qui en avaient pas besoin, ce qui conduit à des complications lors des coupes. RESUME DE L'INVENTION Compte tenu des problèmes susmentionnés, un objectif de la présente invention est de fournir un composite de métal résistant à l'usure qui présente une excellente résistance à l'usure et qui peut être préparé à un coût de revient plus bas. La présente invention concerne un composite de métal résistant à l'usure qui contient des cendres volantes formées, obtenues en conférant à des cendres volantes la forme souhaitée et un métal imprégnant les vides présents à l'intérieur desdites cendres volantes formée et dans lequel les cendres volantes sont exposées sur la surface. Le composite de métal résistant à l'usure de la présente invention fait appel à des cendres volantes. En particulier, la présente invention peut contribuer au recyclage ou à la conservation de l'énergie, par l'utilisation de cendres volantes, qui sont des déchets industriels. Plus précisément, le composite de métal résistant à l'usure est réalisé en formant des cendres volantes et en imprégnant l'intérieur de ces cendres volantes formées avec un métal. On sait que les cendres volantes sont un matériau dur. Par conséquent, si on imprègne l'intérieur des cendres volantes formées par un métal, tout en conservant la structure des cendres volantes formées, on peut placer les cendres volantes aux positions souhaitées, ce qui n'est pas la cas quand on ajoute des cendres volantes en poudres au métal. En particulier, en exposant les cendres volantes au niveau de la surface de glissement du composite de métal, on peut améliorer d'une manière tout à fait remarquable la résistance à l'usure du composite de métal. Pour cette raison, la solidité du composite de métal est améliorée par les cendres volantes formées et sa résistance à l'usure est également améliorée. Par conséquent, quand le composite de métal est utilisé comme surface de glissement, on peut obtenir une excellente résistance à l'usure. Par 3 2755981 conséquent, la solidité et la résistance à l'usure du composite de métal peuvent être améliorées d'une manière remarquable, par comparaison avec le cas o les cendres volantes sont ajoutées à un métal sous forme de poudre, sans être formées. Selon la présente invention, on peut réaliser un composite de métal résistant à l'usure qui a une excellente résistance à l'usure et qui peut être fabriqué à un coût de revient bas. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La fig. 1 est une vue en coupe illustrant un composite de métal résistant à l'usure de la première forme d'exécution. La fig. 2 est une vue illustrant un procédé de fabrication des cendres volantes formées, selon la première forme d'exécution. La fig. 3 est une vue illustrant un procédé de moulage d'un composite de métal résistant à l'usure, selon la première forme d'exécution. La fig. 4 est une vue illustrant une machine à mouvement alternatif vertical permettant de mesurer l'usure, utilisée dans les expériences. La fig. 5 est une vue illustrant un procédé de moulage d'un bloc moteur, selon la cinquième forme d'exécution. La fig. 6 est une vue d'un bloc moteur moulé, selon la cinquième forme d'exécution. La fig. 7 est une vue d'un bloc moteur, selon la cinquième forme d'exécution. DISCUSSION DETAILLEE DE L'INVENTION Les cendres volantes formées peuvent avoir la même forme que celle du composite de métal résistant à l'usure ou elles peuvent avoir une forme plus petite que celle du composite de métal résistant à l'usure. Dans ce dernier cas, la résistance à l'usure et la solidité sont améliorées uniquement dans la partie du composite de métal résistant à l'usure, dans laquelle les cendres volantes sont présentes. 4 2755981 Par "cendres volantes" on entend les particules fines de cendres produites par combustion, en particulier les cendres de charbon. Comme exemples de cendres volantes, on peut citer la poussière et les cendres de charbon qui se forment dans les hauts fourneaux à courant d'air forcé et la poussière recueillie à la sortie des chaudières d'usines électriques, de fonderies et similaire. Les cendres volantes sont disponibles à un coût très bas. Pour cette raison, le composite de métal résistant à l'usure peut être réalisé à bas prix. Les cendres volantes présentent généralement une granulométrie allant de 0,1 pm à plusieurs centaines de pm. Pour conserver au composite de métal résistant à l'usure des propriétés uniformes, les cendres volantes doivent, de préférence, être fractionnées au préalable pour sélectionner la taille la plus appropriée. Par exemple, quand les cendres volantes ont une granulométrie de 1 à 100 gm, on obtient une surface de glissement o l'agrégation des cendres volantes est faible et le composite de métal est peu agressif vis-à-vis de l'élément opposé. Par contre, quand la granulométrie des cendres volantes n'est pas supérieure à 1 gm, il se produit une agrégation des cendres volantes durant la formation des cendres volantes, ce qui peut conduire à des irrégularités sur la surface de glissement. En outre, quand la granulométrie des cendres volantes dépasse 100 Dm, l'agression de l'élément opposé par le composite de métal augmente, ce qui peut conduire à une augmentation de l'usure de cet élément. En outre, les cendres volantes sont exposées sur la surface du composite de métal résistant à l'usure. Les cendres volantes sont plus dures que le métal. Pour cette raison, les cendres volantes résistent à la pression exercée par l'élément opposé, ce qui diminue l'usure du métal et empêche le grippage de la surface de glissement. Les cendres volantes formées renferment, de préférence, des fibres minérales. Ceci permet d'améliorer l'aptitude au formage des cendres volantes tout en conservant la résistance à l'usure du composite de métal résistant à l'usure. Les fibres minérales sont, de préférence, des fibres d'alumine ou des fibres d'alumine et de silice. On peut ainsi augmenter encore la solidité et la résistance à l'usure du composite de métal résistant à l'usure.5 De préférence, on utilise un ou plusieurs métaux choisis dans le groupe constitué par l'aluminium (Al), le magnésium (Mg) et le cuivre (Cu). On obtient ainsi un composite de métal résistant à l'usure, qui est peu coûteux et léger. FORMES D'EXECUTION Première forme d'exécution Les formes d'exécution du présent composite de métal résistant à l'usure sont expliquées en se reportant aux figs 1 - 3. Le présent composite 7 de métal résistant à l'usure comprend des cendres volantes poreuses formées 1, obtenues en formant des cendres volantes 11, et un métal 2 imprégnant les vides à l'intérieur des cendres volantes formées 1. Un usinage de surface a été réalisé sur la surface de glissement 70 du composite 7 de métal résistant à l'usure, pour que les cendres volantes 11 soient exposées sur la surface. Le composite 7 de métal résistant à l'usure comprend 20 % en poids de cendres volantes formées 1 et 80 % en poids d'un métal 2. Les cendres volantes formées 1 contiennent des cendres volantes 11 et des fibres minérales 12. Les cendres volantes ont comme composants, 25 % en poids d'A1203, 60 % en poids de sio2, 5 % en poids de Fe203, 2 % en poids de CaO et 8 % en poids d'autres composants (MgO, P205, Na20, TiO2). Comme fibres minérales 12, on a utilisé des fibres d'alumine. Le métal 2 est un alliage d'aluminium pour moulage sous pression (Norme JIS: ADC 12). Ensuite, on va expliquer un procédé de fabrication d'un composite de métal résistant à l'usure. Tout d'abord, les cendres volantes ont été obtenues d'un collecteur de poussière ou similaire, et fractionnées pour avoir une granulométrie de 1 à 40 Im. Ensuite, comme représenté sur la fig. 2, on a mélangé des quantités identiques de cendres 6 2755981 volantes 11 et de fibres minérales 12 et ce mélange a été formé en disque, par exemple par un procédé faisant appel à une pâte épaisse, pour obtenir les cendres volantes formées 1. Ensuite, comme représenté sur la fig. 3, les cendres volantes formées 1 ont été placées dans la cavité 30 d'un moule 3. Puis, du métal fondu 2 a été coulé dans la cavité 30 et une pression de 600 kg/cm2 a été appliquée par la moitié supérieure 31 depuis le haut de la cavité 30. De cette manière, on a réalisé un composite de métal résistant à l'usure constitué de 20 % en volume de cendres volantes formées enrobées dans 80 % en volume d'alliage d'aluminium moulé sous pression. Deuxième forme d'exécution Dans cette forme d'exécution, on a utilisé 15 parties en volume de cendres volantes et 5 parties en poids de fibres d'alumine. 20 % en volume de cendres volantes formées ont été imprégnées par 80 % en volume d'aluminium moulé sous pression. Les autres conditions étaient les mêmes que celles de la première forme d'exécution. Troisième forme d'exécution Dans cette forme d'exécution, on a utilisé les cendres volantes sans l'adjonction de fibres d'alumine. 30 % en volume de cendres volantes formées ont été imprégnées par 70 % en volume d'alliage d'aluminium moulé sous pression. Les autres conditions étaient les mêmes que celles de la première forme d'exécution. Quatrième forme d'exécution Dans cette forme d'exécution, on a utilisé des cendres volantes formées, comprenant 15 parties en volume de cendres volantes et 5 parties en volume de fibres d'alumine et de silice. 20 % en volume de cendres volantes formées ont été imprégnées par 80 % en volume d'aluminium moulé sous pression. Les autres conditions étaient les mêmes que celles de la première forme d'exécution. (Exemple comparatif) Le composite de métal résistant à l'usure de cet exemple comparatif a été obtenu en imprégnant 10 % en volume de fibres d'alumine sans cendres volantes, par 90 % en volume d'alliage d'aluminium moulé sous pression (Norme JIS: ADC 12). (Expérience) Dans cette expérience, on a évalué les propriétés de résistance à l'usure des composites de métal résistants à l'usure décrits ci-dessus. Pour évaluer les propriétés de résistance à l'usure, on a appliqué une couche d'une huile lubrifiante sur les composites de métal résistants à l'usure des différentes formes d'exécution 1 - 4 et de l'exemple comparatif ci-dessus. L'excès d'huile lubrifiante a été essuyé. Ensuite, on a évalué le coefficient de friction, la quantité d'usure et le temps jusqu'au grippage de la surface de glissement des composites de métaux résistants à l'usure. Pour les mesures, on a utilisé une machine 5 de mesure de l'usure à mouvement de glissement alternatif vertical, illustrée sur la fig. 4. Plus particulièrement, le composite 7 de métal résistant à l'usure a été fixé à un élément de montage 52 et ensuite chauffé à 100 C à l'aide d'un dispositif de chauffage 51. Un élément opposé 56 à mouvement alternatif était utilisé pour glisser sur la surface de glissement 70 du composite 7 de métal résistant à l'usure, sous une charge de poussée de 20 N. L'élément opposé 56 était fixé à un support 57 effectuant 200 mouvements alternatifs par minute. L'élément opposé 56 était constitué de SWOSC-V (norme JIS) portant un revêtement de chrome, pour simuler un segment de piston. La charge reçue par l'élément de montage 52 depuis le composite 7 de métal résistant à l'usure était détectée par une cellule 53 de mesure de charge. La charge mesurée a servi à calculer le coefficient de friction du composite 7 de métal résistant à l'usure. Par ailleurs, on a déterminé le changement de poids du composite de métal résistant à l'usure entre le début de l'essai et la fin de l'essai et cette différence correspondait à la quantité d'usure du composite de métal résistant à l'usure, consécutive au mouvement de glissement. La durée de glissement pour l'élément opposé contre la surface de glissement du composite de métal résistant à l'usure était de 76 minutes. En outre, on a déterminé, de manière similaire, la quantité d'usure de l'élément opposé. 8 2755981 Par ailleurs, on a fait glisser l'élément opposé de la machine à mouvement alternatif vertical permettant de mesurer l'usure, contre la surface de glissement du composite de métal résistant à l'usure jusqu'à ce qu'un grippage de la surface de5 glissement se produise. Les conditions de glissement étaient les mêmes que celles utilisées pour la mesure du coefficient de friction. Les compositions des composites de métal résistants à l'usure des formes d'exécution 1 - 4 et de l'exemple comparatif sont données dans le tableau 1. Comme cela ressort du tableau 1, les composites de métal résistants à l'usure de la présente invention (formes d'exécution 1 - 4) présentaient un coefficient de friction bas, entre 0,07 et 0,08. En outre, la quantité d'usure des composites de métal résistants à l'usure était faible et ne dépassait pas 5,2 mg. Il a fallu beaucoup de temps pour provoquer le grippage de la surface de glissement du composite de métal résistant à l'usure. Les raisons pour lesquelles les composites de métal résistants à l'usure de la présente invention ont les excellentes propriétés décrites ci-dessus sont les suivantes. Comme cela ressort de la fig. 1, la partie des cendres volantes l1 (qui sont un matériau dur) et des fibres minérales 12, qui se trouve exposée et dispersée sur la surface de glissement 70 du composite 7 de métal résistant à l'usure, reçoit la charge de l'élément opposé 56. Pour cette raison, la quantité d'usure des composites de métal résistants à l'usure est petite. En outre, comme l'élément opposé 56 est empêché de venir directement en contact avec l'alliage d'aluminium moulé sous pression de la matrice d'aluminium, il n'y a pas de grippage sur la surface de glissement 70 et le coefficient de friction reste bas et stable. TABLEAU 1 Composition du composite de Usure du Usure de Coefficient Temps avant métal (% vol.) composite l'élément de friction grippage de métal opposé du composite de métal Composant non métallique ADC12 (mg) (mg) Première forme Cendres volantes 10 80 5,2 0,3 0,07 - 0,08 2 76 min d'exécution Fibres d'alumine 10 Seconde forme Cendres volantes 15 80 3,0 0,1 0,07 0,08 d'exécution Fibres d'alumine 5 Troisième forme Cendres volantes 30 70 3,1 0,1 0, 06 - 0,07 d'exécution Quatrième forme Cendres volantes 15 80 4,8 0,4 0,07 - 0,08 d'exécution Fibres d'alumine 5 Ex. comparatif Fibres d'alumine 10 90 12, 0 0,4 0,08 0,23 65 min. (n 2755981 Cinquième forme d'exécution Cette forme d'exécution est un exemple d'application, o le composite de métal résistant à l'usure de la présente invention est utilisé comme partie du bloc moteur d'un moteur à combustion interne. On va d'abord expliquer le procédé de fabrication du bloc moteur. On utilise un moule 6 pour couler le bloc moteur, sous pression, comme illustré sur la fig. 5. Le moule 6 comprend une10 moitié fixe 62 et une moitié mobile 61, avec une cavité 610 à l'intérieur de ces moitiés. Par ailleurs, la moitié fixe 62 et la moitié mobile 61 sont montées sur des supports 602 et 601. La cavité 610 comprend les noyaux 611 et 612, pour former une partie de cylindre et une partie inférieure. Le noyau 611 pour former la partie de cylindre est fixée à la moitié mobile 61. Le noyau 612 pour former la partie inférieure est fixé à la moitié fixe 62. Une entrée de coulée 627 pour couler le métal fondu 2 est ouverte dans la moitié fixe 62. Par ailleurs, des cendres volantes et des fibres minérales sont mélangées comme dans la première forme d'exécution et utilisées pour obtenir les cendres volantes formées 1. Les cendres volantes formées 1 se présentent comme un cylindre ayant un diamètre interne ayant approximativement la même dimension que celle de la partie de cylindre du bloc moteur. Ensuite, les cendres volantes formées 1 sont installées sur le noyau 611 pour former la partie de cylindre. Ensuite, on verse du métal fondu 2 dans un tube saillant 626, par l'entrée de coulée 627 de la moitié fixe 62. Une pression est appliquée lentement avec le piston 628 de mise sous pression agissant sur le métal fondu 2 dans le tube saillant 626, pour le pousser dans la cavité 610. Lorsque le métal fondu 2 a rempli pratiquement toute la cavité 610, le piston 628 de mise sous pression est encore poussé vers l'avant, pour mettre sous pression le métal fondu 2 (non représenté sur la figure). Cette mise sous pression assure l'imprégnation des vides des cendres volantes formées 1, par le métal fondu 2 remplissant la cavité 610. Ensuite, le métal 2 se solidifie. On obtient ainsi, dans la cavité 610, un bloc moteur comprenant un composite de métal résistant à l'usure. Après la solidification du métal, le bloc moteur moulé 71 est sorti de la cavité, comme représenté sur la fig. 6. Ensuite, une partie diamétralement interne 749 de la partie de cylindre 74 est coupée suivant la ligne F - F, comme représenté sur la fig. 6 et, en même temps, la partie coupée est meulée. On obtient ainsi un bloc moteur 72, dans lequel les cendres volantes 11 sont exposées sur la surface de glissement 70 de la10 partie de cylindre 74. Dans la partie de cylindre 74 du bloc moteur 72, un piston 79 avec un segment 791 de piston fixé, constituant l'élément opposé, effectue un mouvement alternatif. Le segment 791 de piston glisse contre la surface de glissement 70 de la partie de cylindre 74. Le mouvement alternatif du piston 79 est transmis à chaque élément d'actionnement par l'intermédiaire d'une tige (non représentée) positionnée à l'intérieur de la partie inférieure 75 du bloc moteur 72. Etant donné que, dans cette forme d'exécution, les cendres volantes 11 sont exposées sur la surface de glissement 70 du bloc moteur 72, la quantité d'usure est faible. En outre, les cendres volantes 11 exposées sur la surface de glissement 70 empêchent l'alliage d'aluminium moulé sous pression de la partie de cylindre 74 et le segment 791 de piston de venir en contact direct, ce qui évite le grippage de la surface de glissement 70 et maintient le coefficient de friction de la surface de glissement 70 bas et stable. En outre, comme représenté sur la fig. 5, les cendres volantes formées 1, servant de renforcement sont réalisées au préalable avec une forme cylindrique, ces cendres volantes ainsi formées 1 sont installées sur le noyau 611 et le moulage se fait sous pression. La réalisation des blocs moteurs par moulage est donc simple. Par ailleurs, comme les cendres volantes 1 sont légères et bon marché, on peut réaliser des blocs moteur légers et à un coût bas. Enfin, comme les cendres volantes formées et placées à l'intérieur du composite de métal résistant à l'usure peuvent avoir une forme et une densité arbitraires, l'imprégnation de 12 2755981 ces cendres volantes formées par le métal fondu permet d'améliorer la solidité du bloc moteur 72 et, en particulier, celle de la partie de cylindre 74 qui est en contact de glissement avec le segment de piston 791, comme cela ressort de5 la fig. 7. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de formes d'exécution qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes, qui apparaîtront à l'homme de l'art. 13 2755981 REVENDICATIONS 1. Composite de métal résistant à l'usure, qui contient des cendres volantes formées, obtenues en conférant à des cendres volantes la forme souhaitée et un métal imprégnant les vides présents à l'intérieur desdites cendres volantes formées, et dans lequel lesdites cendres volantes sont exposées sur la surface. 2. Composite de métal résistant à l'usure selon la revendication 1, dans lequel les cendres volantes formées renferment des fibres minérales. 3. Composite de métal résistant à l'usure selon la revendication 2, dans lequel les fibres minérales sont des fibres d'alumine et/ou des fibres d'alumine et de silice.15 4. Composite de métal résistant à l'usure selon la revendication 1, dans lequel le ou les métaux sont choisis dans le groupe comprenant l'aluminium (Al), le magnésium (Mg) et le cuivre (Cu).