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PISTON DE MOTEUR.
. La présente invention concerne des objets bimétalliques et .leur procédé de fabrication et elle vise particulièrement l'insertion d'une bande de métal ferreux dans un piston en aluminium.
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Il est connu d2améliorer les caractéristiques des pistons en aluminium, pour en réduire l'usure, en insérant des bandes près de la tête du piston, et dans lesquelles les gorges des anneaux de piston sont agencées. Il est connu d'employer de 19acier et de la fonte pour ces bandes
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parce QUEl9 es métaux ont de meilleures proptiétés, de résistance à 19usu- reg que l'alximinium et les alliages à base d 9 aluminium 0 Toutefoil8 à cause de la très grande différence entre les coefficients de dilatation thermique de la fonte et de l'acider, d'une part, et de l'aluminium et des alliages
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à base d'aluminiume d'autre part, on a proposé en outre d'incorporer à la fonte et à 1-'acier un métal d'alliage tel que le nickel,
ce qui lui donne un coefficient de dilatation thermique se rapprochant davantage de celui de 19 aluminium ou de l'alliage à base d'aluminium constituant le corps du. piston. Cependant, même dans ce cas, la différence entre la dilatation
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thermique de la bande insérée et celle de 19aluminium qui constitue le corps de base du piston a pour effet d augmenter le volume de 1$ aluminitmI2> pendant le cycle de chauifage, par rapport à la bande de retenue en fonte ou-en acier, ce qui provoque un léger travail de forge de l'aluminium
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qui, par conséquente nc-.slaapte plus aussi exactement qu'auparavant lors- que il s'est refroidi.
Les cycles de chauffage qui suivent augmentent en- core cet état de chosese jusque à ce que la bande annulaire se détache fi- nalement du piston de base en aluminium et qu'il en résulte des défaillan- ces. (Pest pourquoi, tout en apportant une aide dé-sirable9 les bandes de fonte riches en nickel et ayant un grand coefficient de dilatation, in-
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sérées dans les pistons en aluminium9 ne résolvent pas le problème en- tièremento Selon la présente invention, les pistons en aluminium ou en
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alliage à base d'aluminium dans lesquels sont insérées des bandes annulai- res destinées à réduire l'usure,
sont obtenus par un procédé nouveau--qui est essentiellement un procédé de coulée par lequel la bande annulaire est unie à l'aluminium par liaison moléculaire dans des conditions telles qu'une différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'aluminium et du métal ferreux soit insuffisante pour produire un effort dépassant la solidité du lien pendant le refroidissement du piston après l'opération de coulée. En conséquence, lorsque le piston est ensuite soumis à de gran- des fluctuations de température pendant le fonctionnement, il n'en résulte pas de rupture du lien et la bande formant segment reste fortement immo- bilisée dans le piston, ainsi que cela a été démontré par un service ri- goureux au cours d'utilisation effective.
Dans un mode préféré de réalisation de l'inven- tion une bande annulaire de fonte riche en nickel, ayant un grand coeffi- cientde dilatation ou une bande annulaire en fonte grise de petit modu- le sont d'abdrd revêtues d'une minée pellicule d 9 aluminium. fondu recouvrant une couche d'alliage de ferro-aluminium sur la face intérieure et, tandis que la bande annulaire revêtue d'aluminium se trouve à une tempé- rature au moins égale à la température de fusion nécessaire à la coulée de l'aluminium ou de l'alliage à base d'aluminium à utiliser .pour faire le corps du piston, et tandis que la couche d'aluminium qui recouvre la bande est humide ou plastique, on coule le métal du corps en aluminium autour de la bande annulaire,
de préférence dans un moule permanent sui- vant la technique connue de la coulée. Lorsque le piston est refroidi et retiré du moule, la bande est réunie à l'aluminium par liaison moléculai- re par la couche intermédiaire d'alliage de ferro-aluminium, à laquelle on donne de préférence une épaisseur de l'ordre de quelques millièmes de pouce (de quelques multiples-de 25/1000 de mm), à cause de sa nature pro- pre, qui est cessante.
On verra que le piston bimétallique et son mode de fabrica- tion permettent d'obtenir un produit complexe, solide et résistant à 1' usure, ayant les propriétés de légèreté de l'aluminium et de solidité de la fonte ou de l'acier à l'endroit où le'maximum d'usure se produit et où une détérioration est fréquemment caussée après une utilisation de courte durée, inconvénient qui est évité par l'emploi du piston qui fait l'objet de présente invention.
L'invention sera décrite plus en détails ci-après avec ré- férencesaux dessins annexés dans lesquels: figo 1 est une coupe transversale d'un piston fabriqué par le procédé de la présente invention et représente le produit de cette invention; figo 2 est, à une plus grande échelle, une coupe transversale de la garniture intérieure de piston de la figo 1, représentant la dispo- sition bimétallique avec plus de détails.
Dans le dessin le numéro de référence 10 désigne une bande annulaire en fonte ou en acier coulé insérée dans un piston 11 en alu- minium coulé ou en alliage à base d'aluminium. La bande annulaire 10 forme de préférence un anneau complet sans-la gorge de piston 12, qui est usinée: dans cet anneau après la formation du piston complexe qui n'est pas en aluminium. De préférence aussi, le diamètre extérieur de la bande annulaire 10 est plus grand que celui du piston, ce qui permet de loger la bande convenablement dans un évidement ménagé dans le moule permanent dans lequel on coule l'aluminium ou l'alliage à base d'aluminium.
Avant de l'introduire dans le moule on chauffe la bande annulaire 10 en fonte ou en acier jusqu'à la température à laquelle l'alu-
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minium forme un alliage avec le fer ou¯l'acier, de préférence en plon-
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geant cette bande 10 dans un bain de fusion daluminiuan ou¯d'alliage à base daluminium et en l'y laissant pendant un laps de temps suffi- sant pour qu'elle atteigne cette température, puis en laissant 1-'allia-
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ge se produire entre le métal de la surface de la bande 10 et lsaluminium fondu ,?ü¯1J/alliage fondu à base d'alnminÉa1n, jusquaà ce que la,mince couche désirée d'alliage et la pellicule supérieure dJ1a1uminium soient formées par dessus.
Bien¯que IJ1alliag de ferre-aluminium soit nécessai- re pour former une liaison moléculaire entre 1-'aluminium et le métal ferreux qui forment le piston complexela nature cassante de l'allia- ge exige que la couche en question n'ait pas une épaisseur supérieure à quelques multiples de 25/1000 de millimétrée - Pendant que¯ la bande annulaire ainsi revêtue est chauffée à une température telle que la pellicule de surface est encore humide ou plastique, cette bande est placée dans le moule permanent ayant la for- me désirée, et le métal 11 du corps en aluminium fondu. ou en alliage fondu à 'base d'aluminium est coulé- autour de- la bande annulaire 10.
En raison de l'union par fusion entre, d'une part, la pellicule humide ou plasti-
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que d9aluminium qui recouvre la bande annulaire 10, et, d'autre part, le métal fondu et coulé, l'aluminium sera homogène à l'extérieur de la surface d la couche 13 d'alliage de ferro-aluminium, ce qui constitue la liaison moléculaire entre le corps 11 du piston, corps qui est en
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aluminium ou alliage dealuminium, et la bande annulaire 10 en métal ferreuxo
On sait que le travail thermique et le travail mécanique,ainsi que les efforts de choc et d'usure auxquels le piston est soumis à 1-'usage, ont une importance considérable et:
, en conséquence, il est désirables, en pre- mier lieu, de- les réduire- au minimum-. Il est donc- utile de faire- la bande an- nulaire 10 en fonte riche en nickel contenant-environ 12,5% de nickel pour réduira la différence entre les coefficients de dilatation thermique de la
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matière- dont est-faite la- bande annulaire 10 et 1s' matière dont est fait le corps 11 du- pisto-n-o Un- produit approprié se trouve dans le commerce sous la marque-d' s I reslst-Ba On peut-encore réduire cette différence de dilata- tion thermique, en...J.1.:t.ilisant POUJ7 faire le- corps 11 du piston, un alliage à ba- se d:1allwi:nium contenant des ingrédients d9alliage qui- réduisent- la dilatation thermique de 1:
J a.lum-inium,o Un tel alliage-est constitué-par-de 19alum-îniun oan tenant- 12% # -ilieî-ang 95 de- nioke-19 bzz de magnésium et 0 de cuivre-, et il est cossez dans le commerce sous le nom Bd 9 alliage- A132" Alcoa- 0 Si- 19 Óh suppo- se que l'on emploie- la bague 10 en fonte riche en nickel et le corps 11 en al-
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liage. d9 a1nm.inium- de faible dilatation, une analyse des efforts- qui se produi- sent montre les conditions qui permettent au- p-is-tan conforme- à la présente in- ventîorr de résister- à:- un- usage rigoureux sans dé-tiora-tion au-delà des-conditions normales d'usure.
Si 1?on suppose que la garniture intérieure 10 a un diamètre de 4,375 pouces à la température ambiante, sa contraction radiale (u) à partir de la température de solidification de l'alliage A132 sera la suivante :
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u = 2918711 x 10,7 x lCr6 x (1085-70") = 0,024 La température de solidifioation n telle qu9elle est indiquée par un retrait identique de l'alliage A132 est 09OZ4 = 2,187 x 1293 x 16 x4 T
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= 883 F.
En ajoutant une température ambiante -de 70 F on obtient une
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température allant jusqu'à¯953 Fo Ceci indique que la retenue effectuée par les noyaux dans le moule donne un revêtement dont la grandeur fina-
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le est 11équivalent dune pièce coulée obtenue sans retenue au refroi- dissement a partir d-un point de solidification hypothétique de 953 Fo Cette indication est raisonnable, car on a constaté que la retenue dun noyau a souvent une valeur supérieure.Pour pousser 19 analyse plus loin¯, on considérera 1?alliage Alcoa 142, qui contient 4% de cuivre, en rempla- cement de ]?alliage A132,
et en remplaçant le# T de 883 F appliqué à cet alliage daluminium et 1070 F appliqué à la fonte riche en nickel de la bande 10; on a alors
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u 142 = 2,187 x 1l,9 x 10-6 x 883 (1) A1 = 0,029
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Ni = 2,187 x'lOp7 x l0 6 (lJ.40* = 70) (2) = 0,025" uAl 1427 uNi = O004ii (3)
Ceci montre que pour que la structure complexe reste intacte, il faut faire agir sur la garniture intérieure 10, à l'endroit de la liaison 13, une force assez considérable pour provoquer une déformation radiale inférieure à 0,004".
Pour obtenir ce résultat on emploie les principes de la-pression hydrostatique comme étant applicables dans le cas présent, parce que les conditions sont les mêmes si l'on considère
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que l'alliage d9aluminium qui se solidifie est essentiellement un li- quide. Il en résulte que :
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où u = déformation radiale produite par
Po = force unitaire en lbs par pouce carré
E ni module de Young = 16 x 10-6 ro = rayon extérieur = 2,750"
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i = rayon intérieur = 2 9187g / = rapport de Poisson = Oa569 ces facteurs étant définis à la page 241 de 1?ouvrage "Strep>gth of Materials (La résistance des maté- riaux) par Stephen Po Timoshenko, deuxième édition 1941, vol. II, D.
Van Nostrand, New Yorko , En transformant Inéquation ci-=dessus pour la résoudre afin d'obtenir p on a o @ température de solidification de 1-'alliage n 142.
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= 604 x 10=4 = 5600 Ibs pouce carré 2075 x 4084.
Si 1?on suppose que la surface intérieure d9une bande annulaire 10 in- troduite a une longueur axiale de 1", la participation de la bande à la solidité en 13 est d'au moins 90000 Ibs par pouce carré èt les deux bords latéraux¯de la bande travaillant au cisaillement.Avec une surface d'extrémité de 0,563 x 1000 x 2 = 1,13 pouces carrés pour une bande de 1", et si l'on suppose une valeur de cisaillement raisonnable de 6.000 lbs par pouce carré, la force unitaire sera 6.000 x 1,13 = 6.800 lbs par pouce carré,soit un total de 15.800 Ibs par pouce carré pour toutes les forces formant la participation de la bande en 13 en négligeant la pression de retrait sur les côtés de la garniture intérieure,
pression qui est en effet négligeable. Cette analyse montre par conséquent que la liaison ef- fectuée en 12 entre la garniture intérieure 10 et le corps en aluminium d'un piston est adéquate pour résister aux efforts en cours d'utilisation,, et l'utilisation de pistons conformes à la présente invention pendant de nombreuses heures montre que le calcul n'est pas excessif, car ces pistons nont présenté aucun défaut.
Bien que 1-'on ait proposé jusqu'ici d'employer des bandes annulaires de grande dilatation, guoique sans 1?utilisation de la liaison essentielle décrite ci-dessus, le demandeur a constaté que 19on peut éga- lement employer de la fonte grise ayant un faible module d'élasticité pour servir de matière de fabrication pour la bande annulaire,et qu'elle donne de bons résultats à condition d'utiliser de la.fonte grise ayant un module d'élasticité inférieur à 16 x 106 et compris de préférence entre 11 x 10 et 15 x 1060 Si 1$on suppose les mêmes conditions que ci-dessus pour un corps de piston en alliage Alcoa A132 et une bande en fonte grise de faible module, et si l'on adapte les formules (1),(2) et (3) sous la forme
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(19)9 (29) et (39)9 on e.
ua1 Al 32 = 2,187 x 883 x 12,3 x la-6 (l') = 0,023'
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uoa3. 2,187 1015 798 10 -6 (29) 001 =2pl87 X 1015 x 7,8 x 10 (29) - 0 9 Ol? u t!1 u0 oi= 0,006 (3')
En substituant dans la formule (4) et en changeant les valeurs de la manière indiquée, on obtient :
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(m06 1 x 106) = 70000 Ibs/poUG6 carré (4') 2,75 x 4a1g4
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soit un effort qui n'est que de 20% supérieur à celui qui existe dans le cas de la fonte riche en nickel et de l'alliage 142, et qui ont ré- sisté pendant de¯nombreuses heures µ un service rigoureux dans un moteur.
Si l'on considère 1?emploi de fonte grise de faible module avec un alliage 142, une déformation artificielle de 0,029 - 0,o17 ou 0,019 est produite dans l'alliage d'aluminium. En substituant cette valeur pour 0,006 dans la formule (4'), on obtient une indication des efforts qui sont de l'ordre de 14.000 lbs par pouce carré pour la force unitaire, ce qui,si l'on considère le bien-fondé du calcul, sert largement à expliquer pour- quoi de tels pistons n9ont présenté aucun signe de défaut dans un moteur après plus de 500 heures d'utilisation intensiveo
Les calculs ci-dessus sont basés sur cette supposition que les efforts axiaux peuvent être négligés pour des longueurs axiales relati- vement courtes de la garniture intérieure 10.
touterfois, lorsque la longueur axia- le d'une garniture intérieure semblable à 10 est notablement plus grande que la longueur de 1 pouce supposée plus haut, l'effort axial constitue une partie considérable de l'effort total et,en conséquence, il ne peut pas être négligéo Toutefois, la résistance de la liaison en 13 dans le piston conforme à la présente invention représente un grand facteur de sûreté et par conséquent la liaison 13 peut être élargie axialement avec sûreté pour donner la place voulue pour la gorge voisine 12' dans la figo 2, si on le désire, bien qu'ordinairement ce soient le premier ou les deux premiers segments supérieurs qui subissent la plus forte usure, la bande en fonte n'a besoin de supporter que les segments inférieurs.
REVENDICATIONS.
1. Piston de moteur à combustion comprenant un corps cylindri- que en métal léger de résistance relativement faible, un organe sensible- ment circulaire en métal ferreux de haute résistance noyée dans ce corps, et une pellicule d'un alliage composé principalement du métal dudit corps et dudit métal ferreux dudit organe interposé entre ledit corps et les- dites surfaces contigues dudit organe,¯afin de former une liaison entre ledit corps et lesdites surfaces.