Brevet FR2857029A1 — publié le 20050107

L'invention concerne un procédé pour réaliser un siège de soupape pour une culasse d'un moteur thermique, dans lequel on fait fusionner un matériau d'apport avec la culasse par application d'énergie à cet emplacement auquel doit être réalisé le siège de soupape. Le document EP 1 120 472 Al décrit un procédé pour réaliser un siège de soupape pour une culasse. Dans ce cas, on dépose un matériau d'apport par une buse autour d'une ouverture de soupape, et on applique en supplément de l'énergie le long de l'ouverture de soupape par un élément laser séparé, on fait fondre à cet emplacement le matériau d'apport en poudre et le matériau de la culasse et on les fait fusionner. Ainsi, le matériau d'apport s'allie maintenant avec le matériau de la culasse et forme de cette manière un renforcement local dans cette zone, qui forme à son tour le siège de soupape. Le matériau que l'on utilise ici est constitué par un alliage à base de cuivre qui contient 6 à 9 % en poids de nickel, 1 à 5 % en poids de silicium, 1 à 5 % en poids de molybdène ainsi que du tungstène, du tantale et du niobium. Le siège de soupape sur la culasse de moteurs à combustion interne a pour tâche d'étancher la chambre de combustion par rapport à l'environnement. Dans ce cas, la soupape se plaque contre le siège de soupape, suite à quoi une usure plus forte se produit sur le siège de soupape, qui exige l'utilisation de matériaux hautement résistants à l'usure dans cette zone. Simultanément, on devrait évacuer une quantité de chaleur aussi importante que possible hors de la zone de la surface d'étanchement et de la chambre de combustion vers la chemise d'eau. Le procédé et l'alliage du document EP 1 120 472 A2 font face à ces exigences par utilisation d'un alliage à base de cuivre; dans ce cas, on obtient au moins une bonne conductivité thermique, mais la résistance à l'usure au niveau du siège de soupape est toujours insuffisante. 2857029 2 L'objectif sous-jacent à l'invention est de proposer un procédé pour réaliser un siège de soupape, le siège de soupape présentant une haute conductivité thermique et possédant une résistance à l'usure nettement accrue par rapport à celle de l'état de la technique. Cet objectif est atteint par un procédé pour réaliser un siège de soupape qui sera décrit dans ce qui suit. Dans le procédé conforme à l'invention pour réaliser un siège de soupape pour une culasse d'un moteur thermique, on dépose un matériau d'apport par application d'énergie à cet emplacement de la culasse auquel doit être réalisé le siège de soupape. À titre de matériau d'apport, on utilise conformément à l'invention un alliage à base de cuivre, l'alliage contenant outre le cuivre les éléments suivants: fer inférieur à 5 % en poids, manganèse 10 % en poids à 20 % en poids, cobalt 5 % en poids à 10 % en poids, molybdène inférieur à 5 % en poids, nickel inférieur à 9 % en poids, silicium inférieur à 5 % en poids, bore 1 % en poids à 3 % en poids, chrome inférieur à 3 % en poids, et des impuretés inévitables. Dans la composition d'alliage conforme à l'invention, l'élément de base qu'est le cuivre procure essentiellement une bonne conductivité thermique et une bonne liaison avec le matériau de base. L'élément d'alliage qu'est le fer procure une augmentation de la solidité, une concentration maximale (limite de solubilité) de 5 % du fer dans le cuivre ne devant pas être dépassée. L'élément d'alliage qui procure une augmentation particulière de la solidité est le manganèse. Pour une part d'alliage de 10 à 20 % de manganèse, on forme des sur-structures qui ont une influence positive sur la résistance à la chaleur et qui mènent en outre à une augmentation de la résistance à l'usure. 2857029 3 L'élément d'alliage qu'est le cobalt provoque également une augmentation de la résistance à l'usure et il contribue en outre à un affinage granulométrique. Le molybdène à titre d'élément d'alliage fait office de lubrifiant solide. L'effet de lubrification est assuré par les composés de molybdène que sont MoS2 et MoO3. Simultanément, le molybdène entre en interaction avec le silicium, qui mène à la formation de silicides avantageuses. L'élément d'alliage qu'est le nickel forme également des silicides et il provoque en outre la formation de cristaux mixtes avec le cuivre, qui est basée sur une solubilité complète du nickel dans la matrice de cuivre. Comme déjà mentionné, l'élément d'alliage qu'est le silicium entre en liaison avec les éléments d'alliage que sont le nickel et le molybdène pour former ce que l'on appelle des silicides. Grâce au silicium, on améliore la mouillabilité du matériau d'apport avec le matériau de base fondu. L'élément d'alliage qu'est le bore contribue également à améliorer la mouillabilité. On notera que de l'aluminium supplémentaire est amené au système par la fusion du matériau de base à partir de l'alliage aluminium/silicium du matériau de base. L'élément d'alliage qu'est le chrome n'est que peu soluble dans le cuivre. Il forme des substances dures dans l'alliage, telles que du Cr2C3 et des silicides. Ces combinaisons contribuent à la dureté du siège de soupape. La part en chrome doit cependant être adaptée sur le plan stoechiométrique à la part en silicium. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le matériau d'apport comprend, outre le cuivre, les éléments suivants: fer 2 % en poids à 4 % en poids, manganèse 11,5 % en poids à 14 % en poids, cobalt 5 % en poids à 10 % en poids, molybdène 2 % en poids à 4 % en poids, nickel 3 % en poids à 6 % en poids, silicium 2 % en poids à 4 % en poids, 2857029 4 bore 1,5 % en poids à 2,5 % en poids, chrome 1 % en poids à 2 % en poids, et des impuretés inévitables. Il s'est avéré qu'une teneur en manganèse entre 11,5 % en poids et 14 % en poids contribue de manière particulièrement favorable à l'augmentation de la solidité et à la résistance à l'usure, sans que l'effet des autres éléments d'alliage en soit entravé. Selon un autre mode de réalisation de l'invention le matériau d'apport comprend, outre le cuivre, les éléments suivants: fer manganèse cobalt molybdène nickel silicium bore chrome Les pourcentages indiqués pour les éléments d'alliage s'entendent chacun dans le cadre de la précision de production. Lors de la production de l'alliage, il faudra supposer une imprécision respective de 0,5 % en poids pour chaque élément d'alliage. Dans le cadre de l'invention, il peut être judicieux que le matériau d'apport contienne jusqu'à 15 % en poids d'étain (Sn) qui forme conjointement avec le cuivre une matrice de CuSn et qui augmente donc la solidité fondamentale du matériau. De même, l'addition de phosphore (P) contribue à la formation de cristaux mixtes de CuFeP et donc à l'augmentation de la résistance à la chaleur. Ainsi, il peut être judicieux que le matériau d'apport contienne entre 0,05 % en poids et 0,3 % en poids de phosphore. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'application d'énergie s'effectue par un rayon laser. Le rayon laser et le matériau d'apport sont 20 3 % en poids, 12 % en poids, 5 % en poids, 3 % en poids, 3 % en poids, 2 % en poids, 1 % en poids, 1 % en poids, et des impuretés inévitables. 2857029 5 amenés à l'emplacement d'action par une unité commune constituée par une optique de focalisation et par une buse coaxiale. Ainsi, on assure que l'application d'énergie et l'amenée de matériau sont toujours localement adaptées l'une à l'autre. Des modes de réalisation avantageux de l'invention seront expliqués plus en détail en se rapportant aux dessins suivants. Les figures montrent: figure 1, un détail d'une culasse au niveau du siège de soupape; figure 2, un détail agrandi du siège de soupape avec des soupapes; figure 3, l'application du matériau d'apport et du rayon laser à travers une buse coaxiale; et figure 4, une coupe transversale à travers une trace de fusion sur la surface d'une culasse. La figure 1 montre une partie d'une culasse 1 d'un moteur thermique qui n'est pas illustré dans son ensemble. De manière connue en soi, la culasse 1 comprend un canal d'admission 2 qui, dans le présent cas, pourrait être réalisé bien entendu également sous forme de canal de sortie. Le canal d'admission 2 est refermé ou ouvert par une soupape d'échange des gaz 3 désignée dans ce qui suit par soupape 3 pour des raisons de simplicité, de sorte que l'air ou un mélange carburant/air peut s'écouler depuis le canal d'admission 2 jusque dans une chambre de combustion de la culasse 1. La culasse 1 est pourvue d'un siège de soupape 5 contre lequel prend appui la soupape 3 dans son état fermé et qui sépare ainsi le canal d'admission 2 vis-à-vis de la chambre de combustion 4. Le siège de soupape 5 est agencé en forme annulaire autour d'une ouverture de soupape 6 dans la culasse. Pour réaliser le siège de soupape 5, on amène la lumière laser d'un laser Nd: YAG à travers une fibre de verre jusqu'à une optique de focalisation qui n'est pas illustrée plus en détail ici. Grâce à l'utilisation d'une fibre de verre, on peut amener de manière simple la lumière laser 2857029 6 jusqu'à l'emplacement de traitement, grâce à quoi on peut réduire les coûts de l'opération et la complexité du système technique. L'optique de focalisation du rayon laser est reliée à une buse coaxiale 8, comme le montre la figure 3. La buse coaxiale 8 comprend deux sorties, une ouverture intérieure 12 et une ouverture extérieure 14. Le rayon laser 10 est guidé par l'ouverture intérieure 12. Le matériau d'apport 16 est guidé par l'ouverture extérieure 14. Cet agencement présente l'avantage que la source d'énergie, le rayon laser 10 et le matériau d'apport formant le siège de soupape 5 sont amenés toujours au même emplacement. Grâce à ceci, le traitement est indépendant de la direction, de sorte que l'on peut économiser des investissements supplémentaires de l'installation si le rayon laser et le matériau d'apport folmaient une direction préférentielle. Au moyen de l'optique de focalisation, le rayon laser 10 est formé de telle sorte qu'il présente un foyer d'un diamètre d'environ 2 à 5 mm sur la culasse 1. La quantité d'énergie qui agit dans ce foyer sur la culasse 1 est dosée de préférence de telle sorte que le matériau de la culasse fond à cet emplacement. La largeur du foyer est conçue de telle sorte que le siège de soupape peut être représenté sur toute sa largeur par une trace du laser. Dans ce cas, les paramètres du processus que sont la densité d'énergie, le diamètre du foyer, la vitesse d'avance du laser ou de la buse coaxiale autour de l'ouverture de soupape 6 et la quantité du matériau d'apport coopèrent. On doit choisir ces paramètres de manière à pouvoir atteindre la fusion désirée. La buse coaxiale 8 avec le rayon laser 10 et avec le matériau d'apport 16 est donc déplacée en forme circulaire le long de l'ouverture de soupape 6. Dans ce cas, l'avance est comprise au moins entre 300 mm par minute et 1000 mm par minute. Dans ce cas, la surface de la culasse 1 est fondue partiellement dans la zone de l'ouverture de soupape 6. Le matériau d'apport 16 qui est amené par l'ouverture extérieure 14 de la buse coaxiale 8 est également fondu par l'énergie du laser. Il se produit un alliage du matériau de culasse en fusion et du matériau d'apport en fusion. La figure 4 illustre une coupe transversale à travers une trace de fusion, la ligne 20 marquant la surface de la culasse. 2857029 7 À échelle de production industrielle, la vitesse d'avance du traitement est comprise entre 300 mm par minute et 1000 mm par minute. Dans ce cas, la vitesse d'avance dépend de la géométrie de la culasse 1 au niveau de l'ouverture de soupape 6. La dilution de la surface de la culasse est définie comme suit par les caractéristiques de la figure 4: Dilution = (section transversale 24 sous la surface 20 de la culasse / section transversale totale 26 de la trace de fusion 18) x 100 % Le matériau fondu de la culasse et le matériau d'apport fondu se lient mutuellement dans une couche de transition (couche de mélange). L'épaisseur de la couche de transition est habituellement inférieure à 1000 m. La couche de transition non illustrée dans la figure 4 ne coïncide pas obligatoirement avec la surface 20 de la culasse, mais elle peut se trouver plus haut et également plus bas. Par conséquent, c'est exclusivement le matériau d'apport qui forme la surface de la trace de fusion 18 et ainsi la surface du siège de soupape 5. Les propriétés fonctionnelles du siège de soupape 5 sont donc assurées exclusivement par le matériau d'apport 16. La fusion de la surface 20 de la culasse sert essentiellement à assurer un attachement métallurgique (une liaison solide non cassante) entre le matériau d'apport et la culasse 1. Pour éviter des modifications des propriétés du matériau de la culasse, en particulier dans le cas d'âmes très minces, telles qu'elles se présentent également au niveau de l'ouverture de soupape 6, il faudra éviter une dilution trop profonde. Suivant le rapport indiqué, la dilution devrait être inférieure à 30 %, de préférence inférieure à 20 %. 2857029 8 Revendications 1. Procédé pour réaliser un siège de soupape pour une culasse d'un moteur thermique, dans lequel on fait fusionner un matériau d'apport avec la culasse par application d'énergie à cet emplacement auquel doit être réalisé le siège de soupape, caractérisé en ce que l'on utilise à titre de matériau d'apport un alliage à base de cuivre qui comprend, outre le cuivre, les éléments suivants: fer inférieur à 5 % en poids, manganèse 10 % en poids à 20 % en poids, cobalt 5 % en poids à 10 % en poids, molybdène inférieur à 5 % en poids, nickel inférieur à 9 % en poids, silicium inférieur à 5 % en poids, bore 1 % en poids à 3 % en poids, chrome inférieur à 3 % en poids, et des impuretés inévitables. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport comprend, outre le cuivre, les éléments suivants: fer 2 % en poids à 4 % en poids, manganèse 11,5 % en poids à 14 % en poids, cobalt 5 % en poids à 10 % en poids, molybdène 2 % en poids à 4 % en poids, nickel 3 % en poids à 6 % en poids, silicium 2 % en poids à 4 % en poids, bore 1,5 % en poids à 2,5 % en poids, chrome 1 % en poids à 2 % en poids, et des impuretés inévitables. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau d'apport comprend, outre le cuivre, les éléments suivants: fer 3 % en poids, manganèse 12 % en poids, 2857029 9 cobalt 5 % en poids, molybdène 3 % en poids, nickel 3 % en poids, silicium 2 % en poids, bore 1 % en poids, chrome 1 % en poids, et des impuretés inévitables. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau d'apport contient entre 0 % en poids et 15 % en poids d'étain. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau d'apport contient entre 0,05 % en poids et 0,3 % en poids de phosphore. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'application d'énergie s'effectue par un rayon laser, et le rayon laser et le matériau d'apport parviennent conjointement sur le siège de soupape à travers une buse coaxiale.