Brevet FR2787044A1 — publié le 20000616

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un bloc- cylindres d'un matériau contenant principalement de l'aluminium, plus particulièrement d'aluminium ou alliage d'aluminium, pour un moteur à combustion interne, comprenant des chemises de cylindres faites d'un matériau de fonderie contenant principalement du fer, procédé selon lequel, dans une première étape, on coule le matériau du bloc-cylindres autour des chemises dans un moule pour le bloc- cylindres. En raison des avantages en ce qui concerne le poids, il est généralement connu et habituel de fabriquer des bloc-cylindres d'aluminium ou d'alliages d'aluminium. En raison des importantes charges mécaniques des surfaces de glissement des cylindres, on incorpore fréquemment, dans des blocs-cylindres en matériaux à base d'aluminium, lors de la coulée de ceux-ci, des chemises faites d'un matériau plus dur et plus résistant à l'usure. Ces chemises de cylindres sont réalisées dans la plupart des cas d'un matériau de fonderie contenant principalement du fer, comme par exemple de fonte grise. En raison de sa forte teneur en graphite, la fonte grise assure en outre des propriétés de fonctionnement suffisantes s'il devait se produire une défaillance de courte durée du système de graissage. Dans la pratique, les blocs-cylindres en aluminium avec des chemises incorporées à la coulée sont fabriqués principalement par les deux étapes de procédé décrites ci-après. Les blocs-cylindres en aluminium sont fabriqués par exemple par coulée sous pression, les chemises, en fonte grise par exemple, étant préalablement mises en place dans le moule de coulée. Après le refroidissement du bloc-cylindres avec les chemises incorporées, les surfaces de glissement des chemises sont usinées à leur cote définitive. Ce procédé soulève cependant quelques problèmes techniques. L'un des problèmes est dû à la différence des coefficients de dilatation thermique de la chemise en fonte grise et du bloc-cylindres en aluminium. Lorsque le bloc-cylindres s'échauffe, pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne par exemple, il se dilate plus fortement que la chemise en fonte grise et des contraintes sont créées entre la chemise et le bloc-cylindres. Finalement, ces contraintes peuvent même conduire à une déformation des alésages de cylindres et à des problèmes avec les pistons se déplaçant en eux. Un deuxième problème technique, en cas d'utilisation de blocs- cylindres en aluminium avec des chemises, est cependant créé par les propriétés de l'aluminium lui-même. En effet, un matériau à base d'aluminium vieillit avec le temps, ce qui s'effectue en fonction de la température et de la durée. Cela signifie que le matériau à base d'aluminium gonfle un peu par suite de processus de recristallisation. Par contre, la chemise en fonte grise ne présente pas ce comportement. Pour cette raison, une fente due au vieillissement se formera au cours du service du moteur à combustion interne entre la fonte grise et l'aluminium. Cette fente entre la chemise et le maté- riau à base d'aluminium du bloc-cylindres s'agrandira pendant le service du moteur, également en cas d'utilisation de chemises en fonte grise, et des problèmes relatifs au maintien des dimensions géométriques prescrites des chemises peuvent se produire, lesquels entraînent d'autres problèmes et perturbations. Cette fente, formée entre la chemise et le bloc-cylindres, provoque en plus, à côté de son influence mécanique négative sur le comportement des pistons pendant le fonctionnement, d'importants problèmes thermiques dans les chemises. L'intervalle d'air dû à la fente produit une isolation thermique entre la chemise et la partie du matériau à base d'aluminium, qui l'entoure, du bloc-cylindres. Cependant, comme les conduits de refroidissement prévus pour refroidir les cylindres sont seulement ménagés dans le bloc-cylindres, le refroidissement de la chemise ne peut plus être assuré en raison de l'inter- valle d'air isolant. Il peut en découler des problèmes thermiques, tels qu'une déformation thermique ou même un blocage du piston dans l'alésage de cylindre. Dans l'édition spéciale du périodique "Automobiltechnische/Motortechnische Zeitung" (ATZ/MTZ) dédiée aux véhicules de la classe A de Mercedes-Benz (1997), est décrit un procédé selon lequel une chemise est réalisée comme ce qu'on appelle une chemise en fonte brute. Cela signifie que la chemise présente extérieurement une structure brute de fonderie. Lorsque le matériau à base d'aluminium du bloc-cylindres est coulé autour d'une telle chemise, une imbrication mécanique s'établit entre le matériau à base d'aluminium et les rugosités superficielles de la chemise. De ce fait, l'aluminium peut, après le refroidissement, établir une liaison mécanique par cramponnement avec la chemise en fonte brute puisque, par principe, des liaisons métallurgiques entre l'aluminium et la fonte grise ne peuvent pas être créées. Bien qu'un tel mode d'assemblage permette de réduire partiellement les problèmes décrits précédemment en ce qui concerne la formation d'une fente, des contraintes en partie très élevées sont créées entre le bloc-cylindres et la chemise rigide en fonte grise, contraintes qui s'atténuent lors de l'usinage de finition de la chemise, ce qui s'accompagne de phénomènes nuisibles. L'invention vise donc à créer un procédé par lequel le processus de fabrication du bloc-cylindres en matériau principalement à base d'aluminium avec des chemises faites d'un matériau de fonderie contenant du fer et incorporées lors de sa coulée dans le bloc- cylindres, puisse être influencé de manière que soient garanties une attache thermique des chemises au bloc- cylindres et la préservation des dimensions géométriques prescrites des chemises pendant le service du moteur à combustion interne. Conformément à l'invention, on obtient ce ré- sultat par le fait que, dans une deuxième étape, après le refroidissement de l'assemblage formé du bloc- cylindres et des chemises, on effectue un usinage grossier des surfaces de glissement intérieures des chemises; dans une troisième étape, on soumet l'assemblage formé du bloc-cylindres et des chemises pendant un certain temps de maintien et à température accrue à un vieillissement à chaud; et, dans une quatrième étape, on effectue un usinage de finition des chemises pour les amener à la forme géométrique définitive et à la cote définitive. Comme c'est le cas également selon l'état ac- tuel de la technique, dans une première étape du procédé, le matériau du bloc-cylindres ultérieur est coulé autour des chemises. Après le refroidissement de l'assemblage formé des chemises et du bloccylindres, un préusinage de la chemise - incorporée lors de la coulée du bloc- cylindres - est effectué dans une deuxième étape du procédé selon l'invention, préusinage qui consiste en un élargissement de l'alésage de cylindre par usinage à enlèvement de copeaux, notamment par alésage au tour. La paroi de la chemise est donc réduite ainsi à une épaisseur plus faible, comparativement à son état initial. Par cette étape de procédé selon l'invention, la chemise acquiert, en raison de sa plus faible épaisseur, une plus grande élasticité qu'avant le préusinage. L'épaisseur de paroi qui subsiste après le préusinage doit être choisie pour que, à la suite de l'étape suivante du procédé, suffisamment de matériau reste disponible pour l'usinage de finition de la chemise, effectué plus tard. L'élasticité et la flexibilité accrues de la chemise font seulement apparaître leurs effets particu- lièrement avantageux dans l'étape suivante du procédé. Cette étape suivante, dont le principe est connu, consiste en un vieillissement à chaud de l'assemblage formé du bloc-cylindres et des chemises. Il s'effectue notamment à une température de 200 à 250 C et pendant un temps de maintien ou durée de 3 à 5 heures. Ce vieillissement à chaud ou recuit de stabilisation correspond à un vieillissement artificiel du matériau à base d'aluminium du bloc-cylindres. Celui-ci, fait notamment d'un alliage d'aluminium contenant du cuivre et/ou du silicium, subit, pendant ce vieillissement, un processus de gonflement basé sur la recristallisation du matériau - contenant principalement de l'aluminium -, processus qui peut être influencé, par la variation de la température et du temps de maintien, de manière qu'il soit pratique- ment terminé à la fin du vieillissement à chaud. Le processus de gonflement de l'aluminium n'a donc pas lieu, comme c'est le cas jusqu'à présent, pen- dant le service du moteur à combustion interne, mais est provoqué à l'avance, sous des conditions contrôlées, au cours de la fabrication du bloc- cylindres. Du fait que la chemise est préusinée, exception faite d'une petite surépaisseur, elle devient plus élastique et peut s'adapter mieux au processus de gonflement de l'aluminium. La conséquence est qu'il se produit beaucoup moins de contraintes dans le matériau qu'au cas o la chemise ne serait pas préusinée. Après le vieillissement à chaud ou le recuit de stabilisation, les chemises sont soumises à un usinage de finition. La surface intérieure, dirigée plus tard vers le piston, est alors soumise à un usinage de finition à la cote définitive et à la rotondité requise. Comme le processus de vieillissement de l'aluminium a déjà été provoqué à l'avance par le vieillissement à chaud ou le recuit de stabilisation, le bloc-cylindres fini présentera beaucoup moins de contraintes internes entre la chemise et le matériau à base d'aluminium du bloc-cylindres et la rotondité des cylindres est également bien mieux préservée pendant une plus longue durée. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, les chemises sont réalisées en fonte brute. Les deux matériaux peuvent se cramponner l'un à l'autre, par le processus de croissance du bloc-cylindres et parce que la chemise cède élastiquement, de manière que, pendant le service du moteur, il ne se forme plus de fente, ou il ne se forme plus qu'une fente minimale ou localement très restreinte entre le bloc-cylindres et la chemise en fonte brute. Les caractéristiques de fonctionnement du moteur peuvent ainsi être améliorées considérablement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins schématiques annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'une partie d'un bloc-cylindres dans lequel des chemises ont été incorporées lors de la coulée; et - la figure 2 est une coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 1 montre un bloc-cylindres 1 pour un moteur à combustion interne (non représenté), dans lequel ont été incorporées, lors de la coulée, trois chemises 2. Le bloc-cylindres 1 est fait d'un alliage d'aluminium et les chemises 2 sont en ce qu'on appelle "fonte brute". Ce terme signifie ici qu'une surface 3 des chemises 2, surface qui est dirigée vers le bloc- cylindres 1, est en fonte brute et conserve sa structure superficielle brute de fonderie. Grâce à cette surface 3 brute de fonderie de la chemise 2, la surface intérieure 4 du bloc-cylindres 1, fait d'un alliage d'aluminium, peut se lier mécaniquement très bien, par cramponnement, à la surface 3 de la chemise 2. La figure 2 montre une autre coupe du bloc- cylindres 1. Lors de leur processus de fabrication, les chemises 2 sont produites avec une épaisseur de paroi accrue par rapport à l'état final. Ceci est indiqué sur les figures 1 et 2 par une ligne pointillée 5. Pendant la fabrication, la chemise 2, présentant encore sa dimension d'origine à ce moment, comme indiqué par la ligne 5, est mise en place dans un moule de coulée pour le bloc-cylindres 1, lequel peut être un moule de coulée sous pression par exemple. Dans ce moule pour le bloc-cylindres 1, le matériau à base d'aluminium devant former le bloc- cylindres 1 est coulé autour des chemises 2 précédemment mises en place. Pendant la coulée, on obtient alors l'assemblage désiré formé du bloc- cylindres 1 et des chemises 2. Après le refroidissement de l'assemblage bloc-cylindres 1/chemises 2, les surfaces de glissement intérieures 6 des chemises 2 sont préusinées grossièrement, par enlèvement de copeaux. Les chemises sont ainsi alésées à un diamètre préfixé de l'alésage de cylindre. Ce diamètre, indiqué dans les figures par une ligne de contour 7 en trait mixte, doit être choisi pour que, après la fin des étapes de fabrication suivantes, la chemise 2 conserve une épaisseur de paroi suffisante pour que son alésage puisse être amené, par un usinage de finition, à sa cote définitive et sa forme géométrique définitive. L'étape de fabrication suivante consiste en un vieillissement à chaud ou recuit de stabilisation de l'assemblage formé du bloc-cylindres 1 et des chemises 2. Lors de ce "vieillissement artifiel" du bloc- cylindres et des chemises 2, s'effectuant à environ 200 à 250 C pendant plusieurs heures, de préférence 3 à 5 heures, se produit le processus de gonflement décrit du matériau à base d'aluminium du bloc-cylindres 1. La paroi 8 relativement mince qui subsiste après le premier usinage de la chemise 2 permet à cette dernière, en particulier à sa paroi 8, de s'adapter plus facilement au gonflement du matériau à base d'aluminium du bloc-cylindres 1. Après le vieillissement artificiel, c'est-à- dire après le processus contrôlé de gonflement du maté- riau à base d'aluminium du bloc-cylindres 1, la chemise 2 présente un certain défaut de rotondité, provoqué par le processus de gonflement du matériau à base d'aluminium et par la déformation de la paroi 8 de la chemise 2. Dans l'étape terminale d'usinage de finition, la surface de glissement intérieure 6 de la chemise 2 est ensuite amenée à la forme géométrique définitive et à la cote définitive. D'éventuels écarts dimensionnels et défauts de rotondité sont alors éliminés ou égalisés. La combinaison d'une chemise 2 en fonte brute et du procédé de fabrication qui vient d'être décrit procure une liaison idéale par cramponnement de la che- mise 2 avec le matériau à base d'aluminium du bloc-cy- lindres 1, de sorte qu'il n'y a pas de formation de fentes, même pendant le service du moteur à combustion interne, entre le bloc- cylindres 1 et la chemise 2. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un bloc-cylindres (1) en aluminium ou alliage d'aluminium pour un moteur à combustion interne, comprenant des chemises (2) de cylindres faites d'un matériau de fonderie contenant principalement du fer, procédé selon lequel, dans une première étape, on coule le matériau du bloc-cylindres autour des chemises (2) dans un moule pour le bloc- cylindres (1), caractérisé en ce que, dans une deuxième étape, après le refroidissement de l'assemblage formé du bloc-cylindres (1) et des chemises (2), on effectue un usinage grossier des surfaces de glissement intérieures (6) des chemises (2); dans une troisième étape, on soumet l'assemblage formé du bloc-cylindres (1) et des chemises (2) pendant un certain temps de maintien et à température accrue à un vieillissement à chaud; et, dans une quatrième étape, on effectue un usinage de finition des chemises (2) pour les amener à la forme géométrique définitive et à la cote dé- finitive. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la chemise (2) présente à sa surface extérieure (3) une structure brute de fonderie. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le bloc-cylindres (1) est fabriqué d'un alliage d'aluminium contenant du cuivre et/ou du silicium. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le vieillissement à chaud s'effectue à une température de 200 à 250 C. 5. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le vieillissement à chaud s'effectue pendant une durée de 3 à 5 heures. 6. Procédé selon une des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'usinage grossier de la il chemise (2) dans la deuxième étape du procédé s'effectue par alésage au tour.