<Desc/Clms Page number 1>
MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE . BREVET D'INVENTION la société dite: WIELAND WERKE AKTIENGESELLSCHAFT Utilisation d'alliages d'aluminium pour pièces de machines travaillant au glissement, notamment pour coussinets ou paliers et pour pistons. Demande de brevet allemand en sa faveur du 30 Août 1943.
Parmi les alliages d'aluminium connus, qui conviennent comme matériau pour pistons, on a utilisé ces derniers temps en particulier les alliages Al-Si renfermant environ 13% de Si et de faibles additions de Mg, Ni, Cu, Mn, Cr et Ti, car ces alliages ont des coefficients qualitatifs mécaniques élevéset se distinguent par une faible dilatation thermique aux températures de travail usuelles.
On a déjà proposé également des alliages d'aluminium de différentes compositions pour coussinets ou paliers à glissement ou pour pièces de machines travaillant au glissement. Dans le développement ou l'élaboration des matériaux antifriction de ce genre on est parti des alliages connus pour pistons en les modifiant d'une manière correspondant à leur nouvelle destination.
On tâcha d'obtenir ainsi un optimum en propriétés ou caractéristiques de glissement, mais en même temps on perdait de vue les propriétés ou caractéristiques de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures, que l'on exige particulièrement des machines de faible puissance , parce que dans le cas de ces dernières une lubrification irréprochable n'est pas toujours réalisable.
La présente invention a pour objet l'utilisation d'un alliage d'aluminium renfermant du silicium, en qualité de matériau pour pièces de machines travaillant au glissement, alliage qui se distingue avant tout par le fait qu'il présente simultanément de hautes qualités de glissement, et de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures, et qu'il fournit à l'usinage par enlèvement de copeaux une surface aussi nette que celle exigée jusqu'à présent seulement des alliages destinés à l'usinage au moyen de machines automatiques. L'alliage à utiliser suivant la présente invention convient aussi comme matériau pour pistons.
L'alliage à utiliser suivant la présente invention est caractérisé essentiellement par les teneurs suivantes:
7 à 23% de Si,
0,1 à 5%, préférablement 1 à 3%, de Pb, @ reste Al avec les impuretés usuelles.
<Desc/Clms Page number 2>
Dans cet alliage c'est la teneur en Pb qui est la cpuse essen- tielle des propriétés ou caractéristiques de glissement particu- lièrement bonnes et des propriétés ou caractéristioues de glis- sement remarquables dans des conditions de travail extrêmement dures. Au lieu du Pb, ou ensemble avec ce dernier, on peut employer aussi les métaux Bi, Cd, Sn, Tl, In et Hg, séparément ou à plu- sieurs, mais dans ce cas l'addition totale de tous ces métaux ne dépassera utilement pas 5%. Les métaux Na et K agissent égale- ment comme les précédents, mais dans une plus forte mesure, de sorte au'il ne faut les employer nue tout au plus en quantités s'élevant jusnu'à 2%.
On obtient de particulièrement bonnes propriétés ou caractéristicues de glissement, et de glissement dans des con- ditions de travail extrêmement dures, lorsaue les métaux Pb, Bi, etc., ne sont pas dissous dans la masse de fond, mais qu'ils se présentent sous forme d'une seconde phase indépendante dans l'alliage, et dans ce cas il est encore particulièrement utile qu'ils soient présents à un état de division et de répartition extrêmement fines suivant les sections longitudinale et trans- versale de la pièce.
Or, un tel état de division et de réparti- tion non seulement agit au point de vue des propriétés ou caractéristinues de glissement, mais en outre est tres avantageux pour l'aptitude au façonnage à chaud des alliages, parce que ces derniers accusent alors une moindre tendance à se crevasser ou à se fendre au cours du façonnage à chaud que dans le cas où la seconde phase se présente sous forme de poches ou de nids ou d'accumulations locales encore plus importantes.
Suivant un développement ultérieur de la présente in- vention on peut arriver de différentes manières à une division et à une répartition fines des métaux Pb, Bi, Cd, Tl, etc., à savoir : a) par une réaction chimique des composés métallioues correspon- dants avec le reste de la masse de fond de l'alliage; b) d'une manière connue en soi, par une surchauffe de la masse fondue, renfermant les additions de solubilité restreinte telles oue le Pb, le Bi etc; suivie d'un refroidissement brusque, ceci étant réalisé utilement dans des coouilles réfrigérées; c) par l'application d'ondes sonores, préférablement d'ondes ultrasonores à la masse fondue renfermant les métaux addi- tionnels ; d) par l'introduction sous forme d'un ou de plusieurs alliages préliminaires.
Il a été trouvé que dans le premier cas ce sont avant tout les halogénures, particulièrement les chlorures et les fluorures, qui conviennent dans ce but, et qu'on obtient ainsi non seulement une division et une répartition particulièrement fines, du genre d'une émulsion, des métaux additionnels dans la masse fondue, mais en outre, par exemple par l'action du chlore gazeux formé, une épuration, connue en soi, de la masse fondue, débarrassant cette dernière des oxydes et d'autres impuretés non métalliques. Mais des composés organiques de ces métaux, par exemple l'acétate de plomb, entrent également en ligne de compte à cet effet.
Dans le second cas on tire profit du fait, connu en soi, consistant en ce que les métaux Pb, Bi, etc, ne sont misci- bles avec l'Al que dans une mesure restreinte aux températures de fusion ordinaires, tandis qu'aux températures plus élevées la lacune de miscibilité est essentiellement rétrécie, sinon complè- tement comblée. Donc, lorsqu'on surchauffe la masse fondue d'Al
<Desc/Clms Page number 3>
renfermant les métaux additionnels de solubilité restreinte Pb, Bi, etc., la masse fondue d'Al absorbe aux températures de surchauffe, dans une mesure croissante, de plus fortes quantitésde Pb, de Bi, etc., en solution solide, qu'aux températures de fusion ordinaires.
Or, lorsqu'on coule une masse fondue surchauffée de ce genre, préférablement dans des coauilles réfrigérées, (la coulée continue de barres de longueur illimitée s'étant avérée particulièrement convenable dans ce but), les'métaux additionnels de solubilité restreinte se séparent de nouveau lors de la solidification, et celà à l'état d'une division et d'une rpar- tition d'autant plus fines et plus uniformes, que le passage par la zone de températures située entre la surchauffe et la solidi- fication est rapide.
Dans le troisième cas les métaux Pb,'Bi. etc., utilement fondus d'avance, sont incorporés dans le reste de la masse de l'alliage avee application d'ondes sonores, utilement d'ondes ultrasonores.
Dans le quatrième cas les métaux additionnels sont ajoutés à la masse fondamentale de l'alliage sous forme d'un ou de plusieurs alliages préliminaires. Il a été constaté que dans ce cas il est particulièrement utile d'employer en qualité d'alliages préliminaires des compositions eutectiques connues en soi formées par les métaux à incorporer dans l'alliage. Des alliages eutectiques préliminaires de ce genre peuvent contenir en outre des éléments qui sont complètement miscibles à l'état liquide aussi bien avec de l'Al qu'avec les métaux Pb, Bi, etc., en jouant ainsi le rôle de transmetteurs par rapport aux métaux Pb, Bi, etc., et en abaissant en outre le point de fusion de l'allia- ge eutectique préliminaire..
On a constaté en effet qu'entre le point de fusion de la seconde phase, constituée par les métaux Pb, Bi, etc., d'une part, et les propriétés ou caractéristiques de glissement, et de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures, d'autre part, il doit exister un rapport dans ce sens que les surfaces de contact des particules des métaux Pb, Bi, etc., ou de leurs alliages, finement divisées et'réparties dans la masse fondamentale, exercent, dans le cas où l'alliage est utilisé pour coussinets ou paliers, une action lubrifiante additionnelle sur l'acier de l'arbre, ce qui est particulièrement avantageux lorsque l'apport de lubrifiant est insuffisant.
Or,dans les alliages à utiliser suivant la présente invention, les propriétés ou caractéristiques de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures sont particulièrement remarquables dans le cas où la seconde phase, renfermant les métaux Pb, Bi, etc., est constituée par un alliage eutectique à bas point de fusion. On a constaté en effet que, dans le cas d'un échauffement inadmissible du coussinet ou palier de glissement, la phase à bas point de fusion acquiert un état pâteux ou franchement liquide et qu'elle exerce dans ces conditions, une action lubrifiante déjà à des températures relativement basses du palier.
Cet état pâteux ou franchement liquide de la seconde phase s'établit avec autant plus de certitude que la grandeur des particules est petite et que le point de fusion est bas. Cette constatation conduit à la règle générale consistant en ce que les propriétés ou caractéristiques de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures des matériaux antifriction peuvent être améliorées par une addition de constituants qui sont non seulement insolubles à l'état solide dans la masse de fond, mais qui se présentent en outre sous la forme d'une seconde phase, d'un point de fusion aussi bas que possible, et à l'état d'une division et d'une répartition extrêmement fines et uniformes suivant les sections longitudinale et transversale.
<Desc/Clms Page number 4>
Dans les alliages à utiliser suivant la présente invention, la. teneur en Pb, Bi, etc., exerce une action avantageuse aussi au point de vue de l'usinage par enlèvement de copeaux; car ces alliages fournissent une surface comme on ne l'exigeait
EMI4.1
jusau'â présent aue seulement des alliages destinas à l'usinage au moyen de machines autorrkatinues. Ceci est prtrticulièr'3'ent avan- tageux dans le cas de la fabrication de pistons, parce rue les pistons bruts, façonnes à la presse, doivent encore être soumis à un usinage par enlèvement de copeaux et que, dans cet 'tat, ils
EMI4.2
doivent accuser également des propriétés ou caract/-risti'ues de glisser ent d'une haute valeur.
Le tableau ci-dessous réunit des alliages, connus en soi, tels Qu'ils peuvent être présents sous forme d'une seconde phase dans les alliages à employer suivant la présente invention. Il
EMI4.3
ressort de ce tableau que des alliages de ce genre, prlilrablement eutecticues, peuvent renfermer en outre des F14rents nui à eux seuls sans l'un des métaux Pb, Bi, etc., n'apporteraient pas l'amélioration voulue des propriétés ou caractÂristi0ues de glissement, et de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures, mais qui conviennent, en combinaison avc un ou plusieurs des métaux Pb, Bi, etc., pour abaisser le point de fusion de la seconde phase. Des métaux additionnels de ce genre sont par
EMI4.4
exemple les métaux Li, Sb, Zn.
Dans le dosage de la t"uanti tf ajoutée de ces métaux il faut tenir compte de ce que, par exemple dans le cas de l'introduction d'un alliage préliminaire, renfer- mant le métal Sb, avec du Pb, du Bi, etc., il s'établit un état d'éouilibre dans ce sens qu'une partie du Sb additionna, contenu dans l'alliage préliminaire, reste dans la seconde phnse, tandis que l'autre partie est absorbée par la masse de fond et est dissoute par cette dernière.
C'est ainsi que, pa,r exemple dans le
EMI4.5
cas d'un alliage préliminaire Pb-Cd-Sb, une portion de 1^ cuan- tiité ajoutée totale de Sb, portion qui dépend de la composition oue présente dans chaque cas l'alliage de base, passe dans la masse de fond et est absorbée par elle sous forme de solution solide, de sorte nve ses propriétés sont influencées, tandis que la portion restante de Sbreste dans la seconde phase et abaisse le point de fusion de cette dernière de la manière voulue. On peut trouver par des essais simples la composition que doit présenter utilement l'alliage préliminaire, nécessaire à l'introduction des métaux Pb, Bi, etc., afin ou'une seconde phase de la
EMI4.6
composition voulue, ou Pr-sentpnt le point de fusion d'sir-, reste dans l'alliage fini.
EMI4.7
Peint de fusion % de Pb de Bi de Cd %de sn f d'autres ---2n-2c ......................
47,0 32,1 40,95 8,2 10,65 In 18,1
EMI4.8
<tb>
<tb> 64,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> (Na <SEP> 49,2
<tb> (Tl <SEP> 50,8
<tb> 64-61 <SEP> 36,0 <SEP> 46,8 <SEP> 7,2 <SEP> - <SEP> Fg <SEP> 10,0
<tb>
EMI4.9
65,5 "4,9 50,1 10,8 14, -
EMI4.10
<tb>
<tb> 67,0 <SEP> 26,0 <SEP> 46,6 <SEP> 9,4 <SEP> 12,0 <SEP> Tl <SEP> 6,0
<tb> 70,0 <SEP> 27,7 <SEP> 49,4 <SEP> 10,0 <SEP> 12,9 <SEP> -
<tb> 91,5 <SEP> 40,2 <SEP> 51,7 <SEP> 8,1 <SEP> - <SEP> -
<tb>
EMI4.11
95,0 09,0 52,0 - - 16,0 - 10",5 - 53,9 20e? z5, -
EMI4.12
<tb>
<tb> 1"5,0 <SEP> 43,5 <SEP> 56,5 <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb> 130,0 <SEP> - <SEP> 56,5 <SEP> - <SEP> 40,0 <SEP> Zn <SEP> 4,0
<tb> 144,0 <SEP> - <SEP> 60,0 <SEP> 40,0 <SEP> - <SEP> -
<tb> 188,0 <SEP> - <SEP> 47,5- <SEP> - <SEP> Tl <SEP> 52,5
<tb> 218,0 <SEP> - <SEP> 97,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> Na.
<SEP> ' <SEP> 3,0
<tb> 244,0 <SEP> 87,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> (Sb <SEP> 12,5
<tb> (Zn <SEP> $C,5
<tb> 245,0 <SEP> 81,7 <SEP> - <SEP> 17,3 <SEP> - <SEP> Zn <SEP> 1,0
<tb> 245,0 <SEP> 80,0 <SEP> 16,0 <SEP> - <SEP> Sb <SEP> 4,0
<tb> 247,0 <SEP> 87,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Sb <SEP> 13,0
<tb> 248,0 <SEP> 82,5 <SEP> - <SEP> 17,5 <SEP> - <SEP> -
<tb>
<Desc/Clms Page number 5>
Le cas échéant le Sn exerce une double action dans les alliages à employer suivant la présente invention. On sait qu'il est soluble à l'état liquide dans les alliages d'aluminium et qu'il forme aussi avec du Pb, ou avec ses métaux de remplacement, des cristaux mixtes.
Cette propriété lui confère aussi bien la faculté d'agir en qualité de métal transmetteur que celle d'augmenter, pour autant qu'il soit présent sous forme d'un eutectique Al-Sn, les propriétés ou caractéristiques de glissement et de glissement dans des conditions de travail extrêmement dures. Le Mg, qui peut être présent en quantités de 0,2 à 2%, agit également en qualité de métal transmetteur.
Comme additions formatrices de cristaux mixtes peuvent être présent en outre du Ni et du Cu, le premier en quantités de 0,3 à 3% et le dernier en quantités de 0,2 à 4,5% Si l'on a incorporé dans les alliages à utiliser suivant la présente invention simultanément aussi bien du nickel que du cuivre et du magnésium, ces alliages possèdent une dilata- tion thermique extrêmement faible, ce qui les rend utilisables tout particulièrement pour des pistons. Ces alliages pour pistons, possédant une teneur en Pb, Bi, etc., offrent, vis-à-vis des alliages exempts de plomb, l'avantage de convenir d'une manière excellente pour l'usinage par l'enlèvement de copeaux.
Pour modifier les coefficients qualitatifs mécaniques des alliages à utiliser suivant la présente invention il peut être utile, le cas échéant, d'ajouter encore du Fe, du Mn, du Cr, en quantités s'élevant jusqu'à environ 2%, séparément ou à plusieurs. Si l'on désire affiner le grain il est utile d'ajou- ter en outre jusqu'à 0,3% de Ti.
Ci-dessous un exemple de composition d'un alliage a uti- liser suivant la présente invention, qui a donné d'excellents résultats, aussi en coopération avec des arbres en acier trempé:
13% de Si 1,0 % de Cu 1,2 % de Ni 0,8% de Mg 0,1 % de Ti 3,5% de Pb + Bi + Cd + Sn reste Al avec les impuretés usuelles.
R E V E N D I C A T 1 ON S
1) L'utilisation d'alliages d'aluminium renfermant 7 à 23% de Si et 0,1 à 5% de Pb, préférablement 1 à 3% de Pb, comme matériau pour pièces de machines travaillant au glissement, notam- ment pour coussinets ou paliers à glissement et pour pistons.