Brevet FR2831845A1 — publié le 20030509

L'invention concerne un procédé de coulée d'une pièce métallique comportant un élément de renforcement inséré à l'intérieur de la pièce et en particulier un procédé et un dispositif de moulage d'une culasse pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile à haute performance. Les constructeurs automobiles ont actuellement pour but, en particulier, d'améliorer les performances des moteurs des véhicules automobiles tout en réduisant la consommation en carburant et en diminuant les rejets de polluants de ces moteurs. L'un des moteurs développés et utilisés par les constructeurs automobiles qui présente les perspectives les plus prometteuses est le moteur diesel à injection directe perfectionné tel que le moteur de type HDI développé à l'intérieur du Groupe PSA. L'un des problèmes rencontrés lors des études pour l'amélioration des performances et de la fiabilité des moteurs HDI concerne la réalisation de la culasse de ce moteur. La recherche d'une augmentation des puissances spécifiques des moteurs diesel à injection directe tels que les moteurs HDI conduit à générer des niveaux de sollicitation extrêmement élevés à l'intérieur de certaines pièces critiques du moteur telles que la culasse, du fait que l'on cherche à produire une puissance accrue dans un moteur de plus en plus compact et léger. L'augmentation des puissances des moteurs diesel depuis l'apparition des turbocompresseurs a souvent été limitée par le fait qu'il est nécessaire d'assurer une fiabilité suffisante de la culasse. Ce problème est encore plus difficile à résoudre, lorsque l'on cherche à augmenter la puissance spécifique. Pour repousser les limites de performances des moteurs en augmentant la fiabilité de la culasse, deux options se présentent aux concepteurs de moteur. Il est possible, soit de modifier profondément la conception des culasses en gardant un matériau classique pour leur réalisation, de façon à répondre aux exigences de plus en plus grandes concernant les sollicitations engendrées dans la culasse, soit d'utiliser de nouveaux matériaux, généralement composites, pour augmenter les performances et la fiabilité des culasses tout en maintenant une conception relativement classique de cette pièce. La solution consistant à améliorer les matériaux et à utiliser des composites pour la réalisation de pièces telles que la culasse constitue une alternative intéressante, dans la mesure où le maintien des formes et conceptions classiques pour les pièces complexes telles que les culasses permet de réaliser leur usinage en utilisant un matériel industriel déjà installé chez les constructeurs. L'une des solutions envisagées pour améliorer la tenue des matériaux constituant les pièces critiques telles que les culasses des moteurs HDI est d'assurer le renforcement de ces pièces par un composite à matrice métallique (CMM) qui est incorporé au matériau métallique de la pièce au moment du moulage de la pièce. Le moulage des culasses est réalisé dans un moule, par exemple un moule en sable ou un moule métallique et généralement par gravité. On place à l'intérieur du moule des noyaux de moulage et, dans le cas d'une pièce renforcée par un CMM, le CMM constituant un insert à l'intérieur du moule. Il est possible d'introduire l'insert qui est réalisé sous forme poreuse et de couler le métal liquide tel que de l'aluminium sous très forte pression (généralement supérieure à 35 MPa), pour permettre au métal liquide (généralement un alliage d'aluminium) de pénétrer à l'intérieur des pores de l'élément de renforcement poreux. Une autre technique, qui a été décrite en particulier dans le brevet FR-2.663. 250, consiste à réaliser, dans une première phase de fabrication, un insert comportant l'élément de renforcement poreux noyé dans un métal d'insertion qui peut être le métal de la pièce et une surface externe de jonction avec le métal liquide de la pièce qui est recouverte d'une fine couche (par exemple 0,5 mm) de métal d'insertion. Dans une seconde phase du procédé, on place l'insert à l'intérieur d'un moule de coulée de la pièce et on coule le métal liquide de la pièce dans le moule, généralement par gravité. Pendant le moulage, le métal liquide de la pièce refond le métal recouvrant la surface externe de la pièce de jonction, ce qui assure une jonction par soudage de l'insert à l'intérieur de la pièce métallique. En outre, l'insert est généralement réalisé de façon à assurer une fixation mécanique de cet insert à l'intérieur de la pièce. Dans le cas d'une culasse, l'insert est généralement disposé entre les conduits d'admission et d'échappement de la culasse dans lesquels viennent se placer les soupapes. Pour obtenir une parfaite liaison entre l'insert et le métal de la pièce, on prévoit, dans le brevet français 2.663. 250, divers revêtements électrolytiques des surfaces de l'insert qui permettent, dans une certaine mesure, d'éviter ou de limiter la formation d'oxyde entre la couche de métal liquide coulée dans le moule et la surface externe de l'insert. Ce procédé général qui est tout à fait satisfaisant et qui permet de couler les pièces par gravité dans des moules de conception classique nécessite certaines précautions de mise en oeuvre industrielle, pour permettre une réalisation en série de pièces et en particulier de culasses sans défaut. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de coulée d'une pièce métallique comportant un élément de renforcement inséré à l'intérieur de la pièce, consistant à élaborer un insert comportant l'élément de renforcement noyé dans un métal d'insertion qui peut être le métal de la pièce et une surface externe recouverte du métal d'insertion, à placer l'insert dans un moule de coulée de la pièce et à couler le métal de la pièce dans le moule, ce procédé permettant d'obtenir des pièces dans lesquelles la liaison entre l'insert et le métal de la pièce métallique est réalisé de manière totalement satisfaisante. Dans ce but : - on recouvre la surface externe de l'insert constituée de métal d'insertion et destinée à assurer la jonction avec le métal de la pièce, par refusion avec au moins une couche de revêtement, - on porte l'insert à une température comprise entre 0,4 et 0,6 fois le point de fusion du métal de la pièce, et - on produit, pendant la coulée du métal de la pièce dans le moule, une circulation intense de métal liquide au contact de la surface externe de l'insert, de manière à refondre le métal d'insertion de la surface externe de l'insert et à empêcher la formation d'une couche d'oxyde du métal coulé au contact de la surface externe de l'insert. De préférence, on recouvre la surface externe de l'insert avec un revêtement électrolytique. Le procédé de coulée suivant l'invention s'applique de préférence à la coulée d'une pièce en aluminium ou alliage d'aluminium telle qu'une culasse. Dans ce cas, on recouvre la surface extérieure de l'insert constitué par un élément poreux noyé dans de l'aluminium ou un alliage d'aluminium recouvert par un revêtement et on porte l'insert, avant la coulée, à une température comprise entre 320 C et 370 C. Le revêtement peut être constitué par une couche d'argent ou argenture. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un procédé de coulée suivant l'invention appliqué à la fabrication d'une culasse telle qu'une culasse de moteur HDI. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un insert à l'intérieur du moule de coulée d'une culasse, pendant la coulée du métal de la pièce. La figure 2 est une vue en perspective d'une attaque de coulée utilisée de manière avantageuse pour le moulage d'une culasse en aluminium. Sur la figure 1, on voit un insert destiné à être noyé dans le métal liquide lors du moulage d'une culasse, désigné de manière générale par le repère 1. L'insert 1 qui a été réalisé par un procédé de coulée, par exemple par un procédé de coulée sous forte pression, dans une première phase de l'élaboration de la pièce comporte une partie interne 1 a constituée par une préforme poreuse dans laquelle on a fait pénétrer un métal sous forme liquide, par exemple de l'aluminium, pendant la coulée préalable de l'insert 1. La partie centrale ta de l'insert est généralement constituée à 20 % par la préforme fibreuse et à 80 % par de l'aluminium infiltré dans les pores de la préforme. L'insert poreux 1 comporte de plus une surface externe 2 recouverte par une couche de métal de l'insert, par exemple de l'aluminium ou un al- liage d'aluminium, cette couche pouvant présenter par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5 mm. L'insert 1 comporte également une partie de surface externe qui n'est pas revêtue de métal d'insertion tel que l'aluminium et qui est destinée à venir reposer sur une surface d'appui du moule 3 dans lequel on réalise le moulage de la culasse. Le moule 3 comporte une empreinte de moulage creuse ou cavité de moulage 4 dans laquelle est placé, avant la coulée du métal liquide de la culasse, l'insert 1, de manière que sa surface 2 recouverte de métal d'insertion se trouve exposée au métal liquide coulé à l'intérieur de la cavité de moulage 4. La surface externe 2 recouverte de métal d'insertion de l'insert 1 comporte une partie de jonction 2a destinée à assurer principalement la jonction de l'insert avec le métal liquide de la pièce par effet chimique, c'est- à-dire par refusion et soudage, et des surfaces latérales 2b inclinées assurant principalement la fixation mécanique de l'insert à l'intérieur de la pièce. Après avoir réalisé, dans une première phase, l'insert par coulée, par exemple sous pression ou par un procédé sous pression réduite en créant un vide à l'intérieur de l'insert pendant la coulée du métal d'insertion, on recouvre les surfaces externes de l'insert et principalement la surface 2a par au moins une couche électrolytique, comme décrit dans le brevet français 2.663. 250. Dans le cas de la mise en oeuvre de l'invention, on réalise obligatoirement une couche externe de revêtement. Ce revêtement peut être un dépôt électrolytique par exemple d'argent ou argenture. Préalablement à son introduction dans la cavité de moulage 4 du moule 3, on porte l'insert à une température telle qu'au moment du début de la coulée de métal liquide de la pièce dans la cavité du moule 3, l'insert soit à une température comprise entre 320 C et 370 C. On réalise la coulée de métal liquide, par exemple d'aluminium ou d'alliage d'aluminium dans le fond du moule, de manière que le flux de métal liquide coulé dans le moule, schématisé par les flèches 5 et 5', assure un balayage intense de la surface externe 2 de l'insert 1 recouvert de métal d'insertion et principalement la surface de jonction 2a qui doit être balayée de manière intense, dans un sens qui correspond par exemple au sens allant du côté échappement vers le côté d'admission de la culasse ou au sens inverse. Comme il sera expliqué plus loin, on crée un déséquilibre entre l'alimentation de la cavité du moule du côté échappement de la culasse, par rapport à l'alimentation du côté admission, le flux 5 étant beaucoup plus intense que le flux 5'. L'effet conjoint du revêtement électrolytique de la surface externe 2 de l'insert qui évite la formation d'oxyde, de la température et de la circulation intense de métal liquide produisant un effet de lavage permet d'éviter la formation d'oxyde entre le métal liquide de la pièce coulée dans le moule et la surface externe de l'insert, ce qui permet de garantir une très bonne liaison métallurgique entre le métal de la pièce et le métal recouvrant la surface externe de l'insert. En particulier, on évite la formation d'oxyde à la surface du métal liquide coulé venant en contact avec la surface de jonction 2 de l'insert 1. Sur la figure 2, on a représenté des attaques de coulée disposées dans le fond d'un moule de coulée d'une culasse utilisées dans le cas de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, pour créer une circulation intense de métal liquide au contact de la surface externe 2 d'un insert 1 disposé entre les conduits d'échappement et les conduits d'admission d'une culasse. Le dispositif d'introduction de métal liquide selon l'invention représenté sur la figure 2 comporte une première rampe d'alimentation en métal liquide 6 du côté échappement et une seconde rampe d'alimentation en métal liquide 7 du côté admission qui sont réalisées de manière différente. La première rampe 6 d'alimentation en métal liquide du côté échappement comporte quatre attaques de coulée 8 dont la section de passage totale est sensiblement différente de la section de passage totale de métal liquide des attaques de coulée correspondantes 9 de la seconde rampe de coulée de métal liquide 7 du côté admission. Par exemple, la somme des sections des attaques de coulée du côté échappement, dans le cas d'une coulée d'une culasse d'un moteur de type HDI, peut être de l'ordre de 1340 à 1350 mm2, alors que la somme des sec- tions des attaques 9 du côté admission n'est que de 970 à 980 mm2. On crée, au moment de la coulée, en utilisant un tel système d'alimentation, une circulation intense de métal liquide de balayage au contact des surfaces de l'insert et en particulier au contact de la surface de jonction 2a de l'insert (flèche 5 sur la figure 1). L'invention ne se limite pas strictement au mode de réalisation qui a été décrit. Le procédé de l'invention peut s'appliquer dans le cas de la fabrication de pièces pour moteurs de véhicule automobiles en aluminium ou alliage d'aluminium différentes de culasses ou même de pièces différentes de pièces pour moteurs. Le procédé peut s'appliquer à la fabrication de toute pièce en alliage à base d'aluminium ou de magnésium comportant un élément de renforcement, tel que des pistons, carters, pivots, bras ou berceaux ou d'autres pièces de véhicule automobile. L'élément de renforcement poreux, noyé dans le métal d'insertion de l'insert, peut être d'une nature quelconque et constitué par exemple par des fibres d'alumine ou d'autres composés, des plaquettes ou des particules. La coulée d'un métal liquide tel que l'aluminium ou un alliage d'aluminium dans l'élément poreux de l'insert peut être réalisé sous forte pression ou sous une pression réduite, en créant une dépression à l'intérieur de l'insert, selon un procédé décrit dans une demande de brevet PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA déposée le même jour que la présente demande de brevet. L'insert peut être revêtu de différentes couches de revêtement, par exemple obtenues par un procédé électrolytique, comme décrit dans le brevet français 2.663. 250. La couche externe de revêtement peut être par exemple une couche d'argent qui permet d'éviter l'oxydation de la surface externe de l'insert au moment de la coulée et qui favorise la liaison avec le métal liquide de la pièce. On peut réaliser la coulée pour obtenir un lavage efficace des surfaces de l'insert par le métal liquide de la pièce, au moment de la coulée, par tout moyen favorisant une circulation de métal dans un sens au contact des surfaces externes de l'insert et en particulier au contact de sa surface de jonction principale. Le procédé suivant l'invention pourrait s'appliquer dans le cas de la coulée de pièces en des métaux différents de l'aluminium, du magnésium et de leurs alliages, en adaptant la température de l'insert au début de la cou- lée, en fonction de la température de fusion du métal de la pièce à réaliser. Dans tous les cas, la température de l'insert doit être comprise entre 0,4 et 0,6 fois le point de fusion de l'alliage coulé. REVENDICATIONS 1.-Procédé de coulée d'une pièce métallique comportant un élément de renforcement (1) inséré à l'intérieur de la pièce, consistant à élaborer un insert (1) comportant l'élément de renforcement noyé dans un métal d'insertion qui peut être le métal de la pièce et une surface externe (2) recouverte de métal d'insertion, puis à placer l'insert (1) dans un moule de coulée (3) de la pièce et à couler le métal de la pièce dans le moule, caractérisé par le fait : - qu'on recouvre la surface la surface externe (2) de l'insert constituée de métal d'insertion et destinée à assurer la jonction avec le métal de la pièce, par refusion, avec au moins une couche de revêtement, - qu'on porte l'insert à une température comprise entre 0,4 et 0,6 fois le point de fusion du métal de la pièce, et - qu'on produit, pendant la coulée du métal liquide de la pièce dans le moule (3), une circulation intense (5) de métal liquide au contact de la surface externe (2) de l'insert, de manière à refondre le métal d'insertion de la surface externe de l'insert (1) et à empêcher la formation d'une couche d'oxyde du métal coulé au contact de la surface externe (2) de l'insert (1). 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on recouvre la surface externe (2) de l'insert (1) avec un revêtement électrolytique. 3.-Procédé de coulée d'une pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on recouvre la surface externe de l'insert (1) avec un revêtement électrolytique d'argent ou argenture et qu'on porte l'insert à une température comprise entre 3200C et 370 C, au moment de la coulée dans le moule (3) du métal liquide de la pièce. 4.-Procédé de coulée d'une culasse pour moteur de véhicule automobile selon la revendication 3, la culasse comportant un élément de renforcement intercalé entre les conduits d'échappement et les conduits d'admission de la culasse, caractérisé par le fait qu'on produit, par alimentation différentielle du moule du côté des conduits d'échappement, par rapport à l'alimentation du moule du côté des conduits d'admission, une circulation intense (5) du métal liquide au contact de la surface externe (2) de l'insert (1). 5.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on réalise la coulée du métal liquide de la pièce dans le moule (3) par gravité. 6.-Dispositif de coulée d'une pièce métallique comportant un élément de renforcement noyé dans le métal de la pièce, comportant un moule (3) de moulage de la pièce ayant une cavité de moulage (4) dans laquelle on place, avant la coulée, un insert (1) comportant l'élément de renforcement de la pièce noyé dans un métal liquide d'insertion et comportant une surface externe (2) exposée à l'intérieur de la cavité de l'empreinte (4) du moule (3), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'alimentation en métal li- 1 quide de la pièce (6,7) destinés à créer une circulation de métal liquide, dans un sens, au contact de la surface externe de jonction (2) de l'insert, de manière à laver la surface externe de l'insert et à empêcher la formation d'une couche d'oxyde du métal coulé de la pièce au contact de la surface externe (2) de l'insert (1). 7.-Dispositif suivant la revendication 6, dans le cas de la coulée d'une culasse comportant un insert (1) intercalé entre des conduits d'échappement et des conduits d'admission de la culasse, caractérisé par le fait qu'il comporte une première rampe d'alimentation en métal liquide (6) au voisinage des conduits d'échappement de la culasse et une seconde rampe d'alimentation en métal liquide (7) de la pièce du côté des conduits d'admission de la culasse ayant des attaques de coulée débouchant dans la cavité (4) du moule réalisées de telle sorte que la section totale de passage des attaques de coulées (8) de la première rampe d'alimentation (6) et la section totale de passage de métal liquide des attaques de coulée (9) de la seconde rampe (7) d'alimentation en métal liquide soient différentes l'une de l'autre.