Brevet FR2990247A1 — publié le 20131108

INSERT DE FUT DE CARTER CYLINDRES D'UN MOTEUR pool La présente invention concerne un insert de revêtement de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres, son procédé d'intégration dans le fût, et le carter cylindres ainsi obtenu. [0002] Dans le domaine des moteurs dits thermiques, notamment destinés à équiper des véhicules de type automobile, un bon état de surface des pièces composant le moteur thermique est souhaité. Concernant le carter cylindres, il est connu d'utiliser une chemise de fût en fonte pour ses propriétés tribologiques. La figure 1 montre une vue de côté d'une chemise 20 en fonte selon l'art antérieur. Cette chemise 20 en fonte est insérée dans le carter cylindres au moment de sa coulée. Après démoulage du carter cylindres, la chemise 20 selon l'art antérieur forme la surface intérieure du fût 82, tel qu'illustré en perspective et en coupe par la figure 2. L'insertion de chemises fonte à la coulée est actuellement la solution la plus appliquée industriellement. Ces chemises permettent également d'améliorer le comportement thermomécanique des fûts, en leur conférant notamment une plus grande rigidité. [0003] Lorsque l'on souhaite de meilleures propriétés tribologiques ou un carter cylindres plus léger, des procédés de revêtement thermique des fûts de carter cylindres peuvent être appliqués. La projection thermique d'un revêtement permet d'améliorer les propriétés tribologiques de la surface intérieure des fûts 82 de carter cylindres. La figure 3 illustre un carter cylindres 80 comprenant quatre cylindres 88 délimités par la surface intérieure de fûts 82. Les figures 4A, 4B, 4C et 4D illustrent les différentes étapes d'un procédé connu aboutissant au dépôt d'un revêtement pour un fût 82 de carter cylindres 80. [0004] Les figures 4A et 4B illustrent des étapes formant un procédé de préparation des fûts de carters cylindres avant l'application de revêtement par projection thermique. Ainsi la figure 4A correspond à un alésage de précision du cylindre 88 (du terme anglais « fineboring ») à l'aide d'une fraise 70, afin de finaliser la géométrie du fût 82, à la suite du démoulage du carter cylindre 80. La fraise 70 est insérée dans le fût 82, le long de l'axe 78 du fût 82. La figure 4B correspond à la préparation de la surface intérieure d'un fût 82 pour l'application ultérieure d'un revêtement. [0005] Cette étape illustrée à la figure 4B, consiste à créer une rugosité de surface par des techniques essentiellement mécaniques. Cette étape est une rugosification du fût 82 (du terme anglais « roughening »). Selon la figure 4B, l'étape de rugosification consiste en la projection de particules abrasives 74, par une buse ou torche 72 sur le pourtour de la surface intérieure du fût 82. [0006] Les figures 4C et 4D illustrent des étapes formant un procédé d'application d'un revêtement à la suite du procédé de préparation précédent. Ainsi la figure 4C correspond à la projection thermique, à l'aide d'une buse 96, d'un revêtement 90 sur la surface du fût 82 précédemment préparé. La création d'une rugosité sur la surface intérieure des fûts 82 permet d'améliorer l'adhérence du revêtement 90 appliqué ultérieurement par projection thermique. Pour assurer un bon état de surface, le revêtement projeté 90 est ensuite soumis à un rodage (du terme anglais « honing »), illustré par la figure 4D, et effectué par exemple à l'aide d'une machine à roder 98. [0007] Les procédés de revêtement proposés permettent d'obtenir un revêtement sur la surface intérieure d'un fût présentant une épaisseur faible et donc une masse plus faible en comparaison à une chemise en fonte classique. Cependant les procédés de projection thermique à l'intérieur des fûts présentent divers inconvénients, sont complexes à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, et il est parfois délicat d'assurer par ce type de procédé une adhérence suffisante entre le fût et le revêtement. [00os] On peut alors préférer la solution précédente d'insertion de chemises en fonte mais les chemises en fonte présentent aussi des inconvénients, dont une masse importante, une conductivité thermique peu élevée, et une différence entre leur coefficient de dilatation et celui du carter. [0009] L'invention a alors pour but de remédier aux inconvénients des solutions antérieures. Elle cherche notamment à obtenir des fûts de carter cylindres améliorés, dont la surface intérieure a les propriétés tribologiques voulues et qui 2 99024 7 3 présentent le comportement thermomécanique attendu, et sans pénalisation en termes de poids ni en termes d'industrialisation. [001 0] L'invention a tout d'abord pour objet un insert de revêtement de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres de moteur à combustion interne, ledit insert 5 comprenant une matrice en mousse majoritairement métallique sous forme d'un cylindre creux revêtu sur sa surface interne d'un revêtement métallique. [0011] La mousse métallique, ou à base d'alliage comprenant au moins un métal, est un matériau connu en soi. La première méthode connue pour les obtenir est de choisir des matériaux contenant des phases à points de fusion et d'ébullition 10 différents. Lorsque ces mélanges sont chauffés, un des composants se vaporise, tandis que l'autre est en fusion. Si le mélange est maintenu sous pression, le métal gazeux ne peut s'échapper de la phase gazeuse. Après retour à la pression atmosphérique et refroidissement, on obtient une structure solide à pores fermés, les métaux moussés étant par exemple en fer, en aluminium ou en magnésium, et 15 les agents volatils étant par exemple en cadmium ou en zinc, comme cela est décrit dans le brevet US 2 434 775. D'autres techniques permettant d'obtenir des mousses plus régulières, plus homogènes et utilisant moins de composants nocifs ont été ensuite proposées, comme celle décrite dans le brevet US 3 087 807, consistant à mélanger une poudre métallique avec un matériau formant un gaz - 20 l'agent dit « moussant » -, le mélange de poudres étant compacté à froid et extrudé. Lorsque le solide est chauffé à la température de fusion du métal, l'agent moussant se décompose et libère un gaz, qui fait mousser l'ensemble. Il peut s'agir de métal avec agent moussant du type hydrure de titane ou de magnésium. [0012] L'invention propose ainsi d'utiliser un support en mousse métallique comme 25 promoteur d'adhérence de revêtements, notamment de type projetés thermiquement. Ces supports en mousse sont conformés sous forme de cylindres creux, et sont ensuite revêtus sur leur surface interne du revêtement. Ils sont ensuite positionnés dans le moule des fûts de carter cylindres par des moyens appropriés. Quand l'alliage constitutif est injecté dans le moule lors de la coulée des 30 carters cylindres, le support en mousse est fondu par contact avec l'alliage en fusion. On obtient alors des carters cylindres dont les fûts présentent une très forte adhérence avec le revêtement, qui, lui, reste intègre (notamment de par sa température de fusion bien supérieure à celle de la mousse métallique et à celle de l'alliage constitutif des fûts). [0013] L'insert selon l'invention est donc un support provisoire du revêtement, qui est destiné à fondre avec, s'imprégner de l'alliage en fusion des fûts lors de leur coulée, au moins sur la plus grande partie de son épaisseur. Cet insert étant en mousse, sa surface interne, hors traitement de surface postérieur, est rugueuse, ce qui facilite l'adhérence avec le revêtement, qui va particulièrement bien s'accrocher à l'insert, et cette forte adhérence est conservée in fine, dans le contact fût/revêtement. [0014] De préférence, l'insert selon l'invention est choisi de façon à ce que l'épaisseur radiale de la matrice métallique soit d'au moins 1 mm, notamment d'au moins 3 mm, et notamment comprise entre 3 et 10 mm ou même notamment entre 4 et 8 mm. [0015] La mousse métallique peut être choisie à base de mousse à cellules ouvertes ou fermées. La configuration à cellules ouvertes est plus favorable à la fusion et à l'imprégnation de la mousse. [0016] De préférence, la mousse est choisie à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. En effet, le matériau constitutif des fûts étant généralement à base d'alliage aluminium, choisir pour la mousse un alliage proche chimiquement permet d'assurer une température de fusion voisine et une excellente affinité/compatibilité, facilitant la diffusion entre les deux matériaux. [0017] Avantageusement, le revêtement métallique peut être obtenu par projection thermique sur ledit insert. Toute autre technique de dépôt peut aussi être envisagée. - Ce revêtement métallique présente de préférence une épaisseur d'au moins 300 micromètres, notamment d'au moins 400 micromètres, notamment entre 500 micromètres et 5 mm. Une épaisseur minimale est en effet nécessaire pour contenir le matériau du fût lors de sa coulée et éviter sa déformation lors de sa coulée et lors de son refroidissement. Il peut avantageusement être choisi en un matériau à base de fer. Par exemple, il peut s'agir d'un matériau à base de fer comprenant de la wüstite et/ou de la magnetite, ou encore comprenant de l'hématite, ou encore un matériau à base de fer avec au moins un ajout de lubrifiants solides tels que le disulfure de molybdène, le nitrure de bore ou le graphite, des composés à base de cuivre, à base de molybdène ou à base nickel. [0018] L'invention a également pour objet un procédé de coulée d'un fût de carter cylindre, où l'on coule l'alliage métallique constitutif dudit fût autour de l'insert tel que décrit plus haut. [0019] Comme indiqué plus haut, lors de la coulée de l'alliage constitutif du fût, la mousse métallique de l'insert fond partiellement depuis sa surface externe. Cette fusion permet cependant de garantir l'intégrité du revêtement dont est munie sa surface interne. [0020] L'invention a également pour objet le carter cylindres de moteur à combustion comprenant au moins un fût coulé tel qu'ainsi obtenu. [0021] L'invention a également pour objet un carter cylindres de moteur à combustion comprenant au moins un fût coulé en alliage métallique, notamment à base d'aluminium et de silicium, qui présente une composition qui évolue au voisinage de sa paroi cylindrique, ladite paroi étant couverte d'un revêtement. En effet, un carter cylindre qui est notamment obtenu avec l'insert tel que décrit précédemment, présente des fûts dont la composition varie entre celle du matériau coulé pour faire le carter, donc les fûts qu'il comporte, et celle du matériau de la mousse métallique de l'insert. [0022] Ainsi, un tel carter cylindres présente une évolution de composition se présentant généralement sous forme d'une interface diffuse entre une composition de l'alliage métallique coulé et une composition différente au voisinage de la paroi cylindrique du fût. Par exemple, l'alliage métallique peut être à base de Al-Si alors que la composition au voisinage de la paroi du fût, correspondant notamment à celle du matériau initial de l'insert en mousse, peut se rapprocher de l'aluminium pur. [0023] La paroi cylindrique du fût couverte par le revêtement est rugueuse, ce qui facilite l'accrochage, la bonne adhérence, et, de fait, la qualité et l'efficacité du revêtement dans ses différents rôles de barrière, de protection, de lubrification et de tenue mécanique. [0024] L'invention a également pour objet un véhicule comprenant un moteur à combustion interne comprenant un carter cylindres tel que décrit précédemment. [0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, une vue de côté d'une chemise en fonte selon l'art antérieur ; - figure 2, une vue en perspective en coupe partielle d'une chemise en fonte selon l'art antérieur intégrée dans un carter cylindres ; - figure 3, un schéma d'un carter cylindres d'un moteur à combustion interne ; - figures 4A, 4B, 4C et 4D, les représentations schématiques des différentes étapes d'un procédé connu aboutissant à la création d'un revêtement thermique pour un fût du carter cylindre de la figure 3 ; - figures 5 et 6, des vues en coupe d'échantillons de mousse métallique respectivement à cellules ouvertes et à cellules fermées ; - figure 7, un insert selon l'invention avant dépôt d'un revêtement sur sa paroi interne ; - figure 8, une représentation du dépôt du revêtement sur l'insert selon la figure 7; - figure 9, une représentation de l'insert des figures 7 et 8 une fois le revêtement déposé ; - figure 10, une représentation de l'évolution de l'insert à la coulée du carter. [0026] L'ensemble de ces figures est schématique, et seuls les composants intéressant l'invention sont représentés, afin d'en faciliter la lecture. Les composants représentés ne respectent pas nécessairement l'échelle. [0027] Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites dans le préambule de la présente demande et correspondent à l'art antérieur. [0028] L'invention concerne donc, dans un premier temps, la fabrication d'un insert se présentant sous la forme d'un cylindre creux en mousse d'un métal ou d'un alliage comprenant un ou plusieurs métaux au moins. Dans un exemple non limitatif, la mousse est ici choisie en aluminium. [0029] Les mousses métalliques sont également connues sous les termes "métaux poreux" ou "métaux cellulaires". Elles présentent une porosité qui peut aller jusqu'à 75 et 95 % d'espace vide, ce qui explique leur grande légèreté. Le diamètre des bulles varie normalement entre 1 et 8 millimètres mais certaines mousses ont des bulles tellement fines qu'elles sont invisibles à l'oeil nu. Les mousses sont disponibles dans une grande variété de formes et de dimensions, incluant des feuilles d'à peine un demi-millimètre d'épaisseur, tellement minces qu'elles sont semi-transparentes. [0030] Comme représenté en figure 5, les mousses 1 à cellules ouvertes (connues en anglais sous l'expression "Open Cells") possèdent des bulles éclatées, ce qui permet aux gaz et aux liquides de passer au travers. La figure 5 montre le passage de gaz 2 au travers d'une mousse métallique à cellules ouvertes. Cette caractéristique les rend avantageuses dans le cadre de la présente invention, dans la mesure où elle peut faciliter leur fusion lors de leur insertion dans le moule de carter cylindres, comme décrit plus loin. [0031] La figure 6 représente une alternative, avec des mousses 3 à cellules fermées (« Closed Cells » en anglais), qui, à la différence de celles à cellules ouvertes, sont composées de milliers de bulles non éclatées. Ainsi, les gaz et les liquides ne peuvent passer à travers ce matériau, tel qu'illustré par les flèches 4 ne passent pas au travers d'une mousse métallique à cellules fermées. Les mousses métalliques à cellules fermées sont très étanches et très légères. [0032] L'utilisation de mousses métalliques pour réaliser la matrice de l'insert présente, notamment, les avantages suivants : - de part cette structure en mousse, il est permis d'atteindre des points de fusion plus bas (ou plus haut selon le besoin) que les matériaux massifs qui les 30 génèrent. - les mousses métalliques sont disponibles en de nombreux métaux dont le nickel, le chrome, le zinc, le fer/acier, l'aluminium ou le cuivre ; - la mise en forme des mousses métalliques sous diverses formes est aisée, ce qui permet de fabriquer des inserts similaires à des chemises cylindriques à insérer dans des fûts de carters cylindres. [0033] Comme représenté à la figure 7, la première étape du procédé selon l'invention consiste donc à fabriquer un insert sous forme d'un cylindre creux 5 d'une épaisseur radiale comprise entre 3 et 10 mm et de diamètre intérieur dépendant du carter cylindre cible, sous forme d'une mousse d'aluminium 3 (pure ou éventuellement avec des additifs), de préférence à pores ouverts, selon un procédé connu en soi. De fait, par la structure même du matériau mousseux et le procédé d'obtention de cet insert, on obtient un cylindre dont les parois, et notamment la paroi interne 5a et la paroi externe 5b présentent un niveau de rugosité élevé, plus élevé qu'avec les inserts classiques du type chemise en fonte. [0034] Comme représenté à la figure 8, la deuxième étape consiste à déposer sur la paroi interne 5a de l'insert 5 un revêtement 6 à base de fer par un procédé de projection thermique analogue à celui déjà décrit à l'aide des figures 4B et 4C, avec une buse 7 analogue à la buse 96 de la figure 4C, mue en rotation autour d'un axe X confondu avec l'axe longitudinal de l'insert S. Le revêtement a une épaisseur de l'ordre de 600 micromètres. On note que le revêtement 6 tend à épouser la rugosité de surface de la paroi interne de l'insert. Le réglage des paramètres de dépôt du revêtement permet de régler la rugosité du revêtement ou d'obtenir en surface du revêtement une rugosité inférieure à celle de la paroi 5a de l'insert avant dépôt. [0035] Comme représenté à la figure 9, on vient ensuite positionner l'insert 5 revêtu dans un moule de carter cylindres (non représenté), puis on vient couler un alliage métallique 8 contenant de l'aluminium, du silicium et éventuellement du cuivre, dans le moule autour de l'insert S. [0036] La figure 10 représente de façon très simplifiée et macroscopique les modifications progressives de l'insert : - au stade a, on représente une portion de l'insert positionné dans le moule avant la coulée, on a donc l'insert 5 et son revêtement 6 intègres ; - le stade b correspond à la phase de coulée de l'alliage du carter, où la mousse de l'insert 5' fond au seul contact de sa paroi externe 5b avec l'alliage 8 en fusion, la chaleur se propageant ensuite au travers de l'épaisseur radiale de l'insert progressivement. De fait, la mousse fond, change de structure en perdant sa porosité depuis sa paroi externe 5b vers sa paroi interne 5a, - au stade c, toute la mousse a disparu, le revêtement 6 est intact, et l'on a une zone 8' où la composition chimique varie entre celle de l'alliage Al-Si coulé et celle en Al de l'insert 5 initial. La transition entre les deux types de composition se traduit en général par une interface diffuse ou un gradient de composition. Naturellement, si l'on choisit le même matériau pour le matériau coulé et pour celui de l'insert, on n'a plus de variation de composition radialement. Les porosités ont normalement entièrement disparu, et on a une interface entre fût et revêtement qui est toujours rugueuse, avec un revêtement 6 intègre et très adhérent. On peut ensuite envisager des post traitements de surface du revêtement 6 si nécessaire, notamment tels qu'un rodage ou une rugosification, termes expliqués dans le préambule de la demande. [0037] Le procédé et l'insert proposés selon la présente invention présentent alors, notamment, les avantages suivants : [0038] la faculté d'adaptation de la composition chimique de l'insert en fonction de l'application envisagée : résistance au frottement, résistance à l'usure ; plus grande faculté d'adaptation par rapport à la charge ou sollicitation du moteur comprenant le carter cylindres obtenu ; on peut aussi envisager que l'insert présente une composition qui varie sur sa hauteur, pour adapter au mieux les propriétés, notamment tribologiques, recherchées pour le fût (tels que la présence d'un régime hydrodynamique plus favorable à une diminution des frottements) . - des adhérences homogènes élevées (supérieures à 35 MPa, idéalement comprises entre 40 et 60 MPa) pour le revêtement 6 ainsi réalisé avec des propriétés tribologiques et/ou mécaniques comparables, voire améliorées pour le frottement par rapport aux solutions antérieures ; - un allègement du poids du carter cylindres, puisqu'on peut supprimer les chemises en fonte très lourdes. REVENDICATIONS1. Insert (5) de revêtement de la surface intérieure d'un fût de carter cylindres de moteur à combustion interne, caractérisé en ce que ledit insert (5) comprend une 5 matrice en mousse majoritairement métallique sous forme d'un cylindre creux revêtu sur sa surface interne d'un revêtement métallique (6). 2. Insert (5) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale de la matrice métallique est d'au moins 1 mm, notamment d'au moins 3 mm, et est notamment comprise entre 3 et 10mm. 10 3. Insert (5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse métallique est choisie à base de mousse à cellules ouvertes ou fermées. 4. Insert (5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse est choisie à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. 5. Insert (5) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le 15 revêtement métallique (6) est obtenu par projection thermique sur ledit insert. 6. Insert (5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement métallique (6) présente une épaisseur d'au moins 300 micromètres, notamment d'au moins 400 micromètres, notamment entre 500 micromètres et 5 mm. 20 7. Procédé de coulée d'un fût de carter cylindre, caractérisé en ce qu'on coule l'alliage métallique (8) constitutif dudit fût autour de l'insert (5) selon l'une des revendications précédentes. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de la coulée de l'alliage constitutif (8) du fût, la mousse métallique de l'insert (5) fond 25 partiellement depuis sa surface externe (5b). 9. Carter cylindres de moteur à combustion comprenant au moins un fût coulé selon l'une des revendications 7 ou 8. 10. Carter cylindres de moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un fût coulé en alliage métallique, notamment à base d'aluminium et de silicium, qui présente une composition qui évolue au voisinage de sa paroi cylindrique, ladite paroi étant couverte d'un revêtement (6). 11. Carter cylindres selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'évolution de composition se présente sous forme d'une interface diffuse entre une composition de l'alliage métallique coulé (8) et une composition différente (5) au voisinage de la paroi cylindrique du fût. 12. Carter cylindres selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la paroi cylindrique du fût couverte par le revêtement (6) est rugueuse.