Brevet FR2957281A1 — publié le 20110916

Procédé de fabrication d'un vilebrequin creux, le vilebrequin creux ainsi obtenu et un moteur équipé de ce vilebrequin [0001 L'invention concerne un procédé de fabrication d'un vilebrequin creux, le vilebrequin creux ainsi obtenu et un moteur équipé de ce vilebrequin. [0002] Les vilebrequins qui équipent les moteurs des véhicules actuels sont des pièces généralement fabriquées en une seule pièce par exemple forgées à la presse ou coulées. La matière utilisée telle que la fonte, l'acier est de ce fait présente dans toutes les sections de la pièce ce qui nécessite de réaliser au cours des opérations d'usinage des orifices de passage pour l'huile permettant de lubrifier les paliers et les manetons présents sur le vilebrequin. [0003] Du fait des formes pleines d'un tel vilebrequin, celui-ci présente généralement un poids important qu'il n'est pas possible de réduire sans toucher à la géométrie et aux dimensions des formes extérieures du vilebrequin. Par ailleurs, un vilebrequin en acier forgé plein est actuellement le seul à pouvoir répondre aux besoins de motorisations se caractérisant par des contraintes spécifiques élevées en fonctionnement tel que pour des moteurs essence et diesel haut de gamme. [0004 Cependant, on tend à l'heure actuelle à utiliser de préférence des pièces présentant un encombrement et une masse moindres tout en répondant à des contraintes spécifiques élevées en fonctionnement, ce qui évite de nuire à l'agrément final du véhicule tout en permettant une baisse des coûts. [0005] On a ainsi déjà proposé de réaliser un vilebrequin creux à l'aide de deux pièces de tôle embouties puis soudées entre elles avec des joints d'assemblage orientés le long du vilebrequin comme cela est notamment décrit dans FR 2 020 149. L'assemblage des deux pièces peut être réalisé par soudage par résistance sous pression ou il peut également être réalisé par emmanchement des pièces l'une sur l'autre par frettage. [0006] Un tel procédé de fabrication permet donc d'obtenir un vilebrequin creux dans lequel la matière se trouve réduite à celle constituant la paroi extérieure du vilebrequin tandis que la totalité de la section intérieure demeure disponible pour une circulation d'huile, par exemple. On obtient ainsi un gain de poids intéressant. Toutefois, l'assemblage par frettage est relativement complexe à mettre en oeuvre et en outre la résistance d'un vilebrequin ainsi assemblé peut ne pas être suffisante. [0007] On préfère donc des vilebrequins dans lesquels l'assemblage s'effectue par soudage ou brasage des deux pièces assemblées bord à bord selon l'axe longitudinal du vilebrequin. [0008] Toutefois, on a pu s'apercevoir que de tels assemblages ne présentent pas toujours des qualités suffisantes en termes de résistance. [000s] La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication d'un vilebrequin dont la masse a été réduite tout en conservant de bonnes résistance mécanique et tenue à la fatigue ce qui lui permet d'être utilisé dans des moteurs présentant des contraintes spécifiques élevées. [0010] Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un vilebrequin creux, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes consistant à mouler un vilebrequin creux en fonte à graphite sphéroïdale par un procédé de moulage à modèle perdu puis à réaliser un traitement thermique de trempe bainitique. [0011] De manière avantageuse, le vilebrequin creux coulé en fonte par un procédé par modèle perdu permet à la fois une économie et un allègement. [0012] En outre, le traitement bainitique réalisé de préférence en lit fluidisé permet d'obtenir une amélioration de la tenue à la fatigue par un procédé éco-responsable [0013] La première étape du procédé selon l'invention consiste donc à couler un vilebrequin en fonte à graphite sphéroïdal, selon un mode opérationnel industriel classique. De manière avantageuse, une pièce fabriquée selon le procédé de l'invention est de l'ordre de 15 { moins chère que la pièce pleine correspondante en acier. [0014] Au cours de cette première étape, on utilise un procédé de moulage par modèle perdu ou PMP. Pour mettre en oeuvre un tel procédé de moulage, on réalise le modèle de vilebrequin creux que l'on souhaite obtenir après coulée mais en tenant compte du retrait du métal. Ce modèle est obtenu par le moulage par injection de deux demi-coquilles creuses en polymère expansé tel qu'en polystyrène, assemblées ensuite par collage pour obtenir le modèle de vilebrequin creux. [0015] Une fois le modèle prêt, celui-ci est plongé dans un bac, où, un sable très sec et fluide est mis en mouvement par des jets d'air. La fluidité du sable permet à celui-ci d'occuper tous les interstices et cavités du modèle de polystyrène, comme s'il s'agissait d'un liquide. Les vibrations soumises au bac accentuent le remplissage homogène et le tassement du sable sur toute la surface de la pièce. Une masse métallique est généralement placée sur la partie supérieure du sable pour maintenir une certaine pression dans l'ensemble. La fonte en fusion est alors coulée et vaporise le polystyrène pour prendre peu à peu sa place. [0016] De préférence, on inocule à la fonte à graphite sphéroïdal des éléments d'alliage, typiquement du Mn entre 0.4 et 0.5 %, du Ni entre 0.8 et1.0 %, du Mo entre 0.2 et 0.3 % et du Cu entre 0.7 et 0.8 % en masse par rapport à la masse totale. [0017] Le procédé de moulage par modèle perdu offre une plus grande liberté de conception de la pièce et une très grande précision dimensionnelle. Par ailleurs, le moule d'injection est pratiquement inusable. De plus, les modèles obtenus par injection sont tous identiques et leur légèreté améliore la manutention, le stockage et la logistique. [0018] De manière avantageuse, les vilebrequins ainsi obtenus peuvent avoir des épaisseurs beaucoup plus fines qu'avec le moulage classique, et la grande précision dimensionnelle permet d'avoir des surépaisseurs d'usinage plus faible ce qui permet de simplifier l'opération de parachèvement notamment du fait de l'absence de bavures. [0019] Par exemple, évider l'âme d'un vilebrequin de 400 mm de long sur un diamètre de 40 mm permet un allègement de plus de 1,1 kg. [0020] Une fois, le vilebrequin moulé, la deuxième étape consiste à améliorer les caractéristiques mécaniques, et en particulier la tenue à la fatigue de la fonte, en lui faisant subir un traitement thermique à savoir un traitement par trempe bainitique, la structure de la fonte étant ainsi transformée de perlite à bainite supérieure. [0021] Le résultat obtenu est un vilebrequin en fonte à graphite sphéroïdal (GS) bainitique dont la tenue en fatigue est comparable à celle d'un vilebrequin en acier forgé classique. L'invention concerne donc également un vilebrequin creux constitué de fonte à graphite sphéroïdal bainitique constitué d'une seule pièce ainsi qu'un moteur comportant un tel vilebrequin. [0022] Jusqu'à présent, ce traitement thermique était effectué par le truchement de deux bains de sel (l'un étant porté typiquement vers 900 °C et l'autre vers 300 / 350 °C ), conditions maintenant inadmissibles tant du point de vue des conditions de travail que du point de vue du respect de l'environnement. [0023] Cette deuxième étape consiste donc maintenant à effectuer ce traitement thermique en lit fluidisé, c'est-à-dire dans des cuves chauffées remplies par exemple de grains de silice : ce système ne présentant plus les inconvénients cités ci-dessus. [0024] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence à un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. [0025] Un procédé de fonderie dit procédé de moulage par modèle perdu consiste à couler un alliage métallique directement dans un ou plusieurs modèles en polymère expansé jusqu'à ce que l'alliage se substitue au modèle alvéolaire. Généralement, les modèles utilisés dans ce procédé PMP sont en polystyrène expansé. Ce procédé PMP comporte généralement les étapes suivantes : réalisation du modèle en polymère expansé, ensablement du modèle dans une cuve par vibration du sable, coulage de l'alliage métallique dans la grappe en polystyrène. Pendant cette étape, le polystyrène expansé se pyrolyse et est remplacé par l'alliage liquide. Après solidification, obtention d'une grappe de pièces métalliques de forme identique à celle de la grappe en polystyrène expansé. [0026] Selon l'invention on réalise donc tout d'abord le modèle de vilebrequin en polystyrène expansé. Pour cela, on réalise un moulage par injection de billes de polystyrène pour former deux demi-coquilles creuses qui une fois assemblées par collage l'une à l'autre forme le modèle du vilebrequin creux. [0027] Plusieurs modèles de vilebrequins creux ainsi formés sont assemblés pour former une grappe qui est ensuite enduite d'une couche de matériau réfractaire puis séchée. [0028] La grappe ainsi formée est positionnée dans une cuve qui est ensuite remplie par du sable et ensuite soumise à des vibrations pour le serrage du sable. [0029] On réalise ensuite l'inoculation de la fonte par Mn, Ni, Mo et Cu et la coulée. La grappe est ensuite refroidie dans la cuve puis on récupère ladite grappe pour ensuite réaliser une étape de finition. [0030] On procède ensuite à l'usinage de l'ébauche. [0031] L'ébauche de vilebrequin ainsi obtenue est ensuite soumise à un traitement bainitique en lit fluidisé. [0032] On réalise un traitement d'austénitisation dans un premier lit fluidisé, typiquement 1 heure à 910 °C / 930 °C puis on effectue un transfert rapide du premier au second lit fluidisé où on met en oeuvre la trempe et le maintien à température dans le second lit fluidisé pour l'obtention de la structure bainitique, typiquement 1 à 3 h ( selon la taille des pièces ) à 310 °C / 330 °C. On réalise ensuite un claquage à l'eau [0033] Pour une plus grande efficacité des lits fluidisés, et l'obtention d'une structure métallurgique optimale, il est recommandé d'utiliser en complément de la vapeur d'eau. On entreprend ensuite un usinage de finition. La structure métallurgique visée (pour l'obtention de la tenue à la fatigue optimale sur pièces) est la bainite supérieure (dureté 280 / 300 HB, limite de rupture Rm 800 / 1 000 MPa, allongement à rupture 1 / 3 %). [0034] Le vilebrequin ainsi réalisé présente une masse allégée permettant un gain 20 en termes de coûts tout en présentant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes. Revendications1. Procédé de fabrication d'un vilebrequin creux, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes consistant à mouler un vilebrequin creux en fonte à graphite sphéroïdale par un procédé de moulage par modèle perdu puis à réaliser un traitement thermique par trempe bainitique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de vilebrequin creux est obtenu par le moulage par injection de deux demi-coquilles creuses en polymère expansé tel qu'en polystyrène, assemblées ensuite par collage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réalise le traitement par trempe bainitique en lit fluidisé. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en qu'on réalise un traitement d'austénitisation dans un premier lit fluidisé, typiquement 1 heure à 910 °C / 930 °C puis on effectue un transfert rapide du premier au second lit fluidisé où on met en oeuvre la trempe et le maintien à température dans le second lit fluidisé pour l'obtention de la structure bainitique, typiquement 1 à 3 h selon la taille des pièces, à 310 °C / 330 °C. 5. Vilebrequin creux constitué de fonte à graphite sphéroïdal, caractérisé en ce que la fonte à graphite sphéroïdale est bainitique, ledit vilebrequin étant constitué 20 d'une seule pièce. 6. Vilebrequin selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fonte à graphite sphéroïdal comporte des éléments d'alliage, typiquement du Mn entre 0.4 et 0.5 %, du Ni entre 0.8 et1.0 %, du Mo entre 0.2 et 0.3% et du Cu entre 0.7 et 0.8 % en masse par rapport à la masse totale. 25 7. Moteur thermique comprenant un vilebrequin selon l'une des revendications 5 et 6. 6