Brevet FR2792859A1 — publié le 20001103

L'invention concerne une bielle en acier fritté comportant au moins un alésage à la surface duquel est liée une bague métallique à faible coefficient de frottement, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle bielle. Selon la pratique industrielle la plus courante, au moins l'alésage de pied (destiné à assurer la liaison entre la bielle et le piston d'un moteur à explosion) d'une bielle en acier fritté est muni d'une bague à faible coefficient de frottement par un processus qui consiste, après avoir aléser la bielle à la dimension de la bague, à insérer mécaniquement une bague bi-matière (feuillard + alliage cuivreux) dans l'alésage pratiqué, et à aléser à son tour la bague insérée à la dimension voulue. Ce processus est relativement long à exécuter et coûteux. Il est connu, par ailleurs, selon US-A-5 666 637, de doter l'alésage de tête (destiné à assurer la liaison entre la bielle et le vilebrequin d'un moteur à explosion) d'une bielle en acier fritté d'un revêtement à faible coefficient de frottement au cours du procédé de fabrication de la bielle. Ce procédé consiste à former par pressage sous pression un corps de bielle poreux à partir d'une poudre métallique à base de fer de composition appropriée, à positionner une bague de métal à faible coefficient de frottement (alliage Cu- Pb ou Cu-Sn-Pb) au contact de la surface de l'alésage de tête, à chauffer le tout à haute température (par exemple 1100 C) de sorte que le métal de la bague fonde et s'infiltre dans les pores du corps de bielle se trouvant au voisinage de l'alésage de tête pendant que le frittage du corps s'opère. Après cela on pratique un forgeage de la bielle et la séparation par fracture de l'alésage de tête de la bielle. Ce procédé présente l'inconvénient qu'un finissage de la surface de l'alésage est nécessaire. L'invention vise à fournir une bielle en acier fritté améliorée ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle bielle qui est simple et économique à mettre en oeuvre. Plus précisément, I'invention concerne une bielle en acier fritté ayant un corps, un alésage de pied et un alésage de tête, au moins l'un de ces alésages étant muni d'une bague en alliage métallique à faible coefficient de frottement en contact avec la paroi dudit alésage, caractérisée en ce que cette bague est liée à la surface de l'alésage par une liaison métallurgique obtenue par diffusion à chaud d'une partie d'au moins un des éléments constitutifs de l'alliage de la bague. Selon un mode de réalisation préféré, I'alliage constituant la bague est un alliage de cuivre et le métal diffusé à chaud est un ou plusieurs des éléments de cet alliage. Par "diffusion à chaud", on entend une migration de métal ayant lieu à une température élevée, mais inférieure à la température de liquidus de l'alliage constituant la bague. L'invention concerne également un procédé de fabrication de la bielle de l'invention, qui comprend les étapes suivantes: a) former un corps de bielle comportant un alésage de pied et un alésage de tête par pressage d'une poudre métallurgique ayant une composition formatrice d'acier; b) mettre en place dans au moins l'un desdits alésages une bague en alliage métallique à faible coefficient de frottement d'un diamètre légèrement inférieur à celui dudit alésage, ledit alliage ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui de l'acier fritté du corps de bielle; c) chauffer le tout à une température et pendant un temps suffisant pour fritter le corps de bielle, amener la bague en contact étroit avec la surface de l'alésage et causer simultanément une diffusion d'une partie d'au moins un des éléments de l'alliage de la bague dans la bielle, au niveau dudit alésage, sans, toutefois, provoquer la fusion totale de ladite bague; d) facultativement, forger la bielle en acier fritté résultante; et e) laisser refroidir la bielle en acier fritté ou fritté-forgé. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, on utilise une bague en alliage de cuivre. L'alliage constituant la bague doit avoir une température de liquidus supérieure à la température de frittage pour ne pas fondre totalement pendant le traitement de frittage de l'acier. Il doit aussi avoir un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui de l'acier fritté de la bielle de façon que, au cours du traitement de frittage, la bague se dilate davantage que l'alésage et vienne en étroit contact avec celui-ci. Le différentiel de dilatation entre le matériau constitutif de la bague et celui de la bielle permet de rattraper le jeu entre la bague et l'alésage de pied qui permet un assemblage simple à la température ambiante. Il faut aussi que l'alliage de la bague ait une composition telle qu'au moins une partie d'au moins l'un de ses constituants diffuse à partir de la bague dans la partie de l'alésage au contact de la bague. Cette diffusion crée une liaison métallurgique très solide, entre la bague et l'alésage, après refroidissement de la bielle. Le traitement de frittage ayant lieu ordinairement à une température dans la gamme de 1100-1150 C, par exemple à environ 1 1 20 C, la bague doit être réalisée en un alliage à faible coefficient de frottement ayant une température de liquidus supérieure à la température maximale atteinte pendant le frittage. Une classe d'alliages métalliques que l'on a trouvé convenir aux fins de la présente invention sont des alliages de cuivre allié à au moins l'un des métaux suivants: Co, Fe, Ni, Si, Ti, Cr et Sn. On donne ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, trois exemples spécifiques d'alliages (A) à (C) appropriés: A) Cu Ni10 B) Cu Ni15 Sn5 C) Cu Ni10 Co4 Ti3 Fe1 Il va de soi, cependant que la portée de l'invention n'est pas limitée à la classe d'alliages particulière sus-mentionnée. La durée du traitement de frittage et de diffusion simultanée est habituellement comprise entre 10 et 40 mn, et est de préférence de 20 à 30 mn. Comme indiqué ci-dessus l'alliage de la bague doit avoir un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui de l'acier fritté constituant la bielle, qui est typiquement de l'ordre de 12 x 10'/ C. Les alliages cuivreux précités ont typiquement un coefficient de dilatation linéaire de l'ordre de 18 x 10-6/ C. A partir des coefficients de dilatation thermique linéaire de l'acier fritté et de l'alliage spécifique utilisé, on peut facilement calculer le diamètre adéquat que la bague d'alliage doit présenter pour pouvoir être aisément mise en place à la température ambiante dans l'alésage désiré, tout en venant en étroit contact avec la paroi dudit alésage à la température de frittage. Typiquement, pour un alésage de pied de bielle ayant un diamètre de 25, 83 mm, on obtiendra un résultat satisfaisant avec une bague d'un diamètre de 25,8 mm. La bague d'alliage peut être produite par une technique de la métallurgie des poudres ou être obtenue par coupe d'un tube de l'alliage. La composition d'acier frittable utilisée pour constituer le corps de bielle peut être toute composition d'acier couramment employée à cette fin. Un exemple typique est une composition constituée d'une poudre de fer d'une grosseur de particules de 120 pm ou moins contenant, en poids, 4% de Ni, 2% de Cu, 0,5% de Mo, 0,7% de C en poudre, et un lubrifiant de formage. Un autre exemple est une composition constituée d'une poudre de fer d'une grosseur de particules de 80 pm ou moins contenant, en poids, 2% de Ni, 0,5% de Cu, 0,6% de C en poudre, et un lubrifiant de formage. Ces compositions peuvent être mises en forme par pressage sous des pressions de l'ordre de 5-6 tonnes/cm2 ou plus. Dans le cas o le ou les alésage(s) pourvus d'une bague inclu(en)t l'alésage de tête, le procédé de l'invention comporte les étapes supplémentaires, connues en elles-mêmes, consistant à: - percer et tarauder deux trous de fixation de part et d'autre de l'alésage de tête; séparer par fracture l'alésage de tête perpendiculairement aux axes des trous de fixation préalablement usinés; - solidariser le corps et le chapeau de la bielle par vissage ou boulonnage. L'invention permet de fabriquer de façon économique et simplifiée des bielles en acier fritté. Les bielles obtenues se caractérisent, en outre, par une excellente efficacité eu égard à l'évacuation calorifique de la bague vers le corps de bielle grâce à un contact entre la bague et le corps de bielle plus intime que celui obtenu dans la pratique industrielle actuelle. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Une bielle en acier fritté ayant un corps, un alésage de pied et un alésage de tête, au moins l'un de ces alésages étant muni d'une bague en alliage métallique à faible coefficient de frottement en contact avec la paroi dudit alésage, caractérisée en ce que cette bague est liée à la surface de l'alésage par une liaison métallurgique obtenue par diffusion à chaud d'une partie d'au moins un des éléments constitutifs de l'alliage de la bague. 2. Une bielle selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage constituant la bague est un alliage de cuivre et le métal diffusé à chaud est un ou plusieurs éléments de cet alliage. 3. Un procédé de fabrication de la bielle de l'invention, qui comprend les étapes suivantes: a) former un corps de bielle comportant un alésage de pied et un alésage de tête par pressage d'une poudre métallurgique ayant une composition formatrice d'acier; b) mettre en place dans au moins l'un desdits alésages une bague en alliage métallique à faible coefficient de frottement d'un diamètre légèrement inférieur à celui dudit alésage, ledit alliage ayant un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui de l'acier fritté du corps de bielle; c) chauffer le tout à une température et pendant un temps suffisant pour fritter le corps de bielle, amener la bague en contact étroit avec la surface de l'alésage et causer simultanément une diffusion d'une partie d'au moins un des éléments de l'alliage de la bague dans la bielle, au niveau dudit alésage, sans, toutefois, provoquer la fusion totale de ladite bague; d) facultativement, forger la bielle en acier fritté résultante; et e) laisser refroidir la bielle en acier fritté ou fritté-forgé. 4. Un procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague est constituée d'un alliage de cuivre. 5. Un procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage de cuivre comprend au moins l'un des métaux alliés suivants: Co, Fe, Ni, Si, Ti, Cr et Sn. 6. Un procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage de cuivre est choisi parmi les alliages (A) à (C) suivants: A) Cu Ni,0 B) Cu Ni15 Sn5 C) Cu Ni10 Co4 Ti3 Fe, 7. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la durée de l'étape (c) est de 10 à 40 mn et la température de frittage est comprise entre 1100 et 1 1 50 C.