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PROCEDE DE FABRICATION D'OBJETS BIMETALLIQUES.
La présente invention concerne la fabrication d'objets bimétalliques et vise notamment la fabrication de tels objets exposés à de très grandes fluc- tuations de température qui risquent de nuire à lassemblage entre les deux mé- taux.
Les objets bimétalliques du type mentionné ci-dessus se composent d'un élément ayant la propriété de présenter une grande résistance, et d'un élé- ment fixé au premier et ayant la propriété dabsorber et de dissiper la chaleur du dit premier élément résistant. Les métaux ayant des propriétés aussi dissem-' blables sont généralement dissemblables sous d'autres rapports moins avantageux, et ils ont par exemple des coefficients de dilatation thermique très différents.
Des exemples communs de tels métaux sont les métaux ferreux et l'aluminium, ainsi que les alliages à base daluminium dont on fait utilement de nombreux objets bimétalliques exposés, à l'usage, à un traitement mécanique et thermique rigoureux, tels que, par exemple, les cylindres et pistons de moteurs à combus- tion interne, les cylindres et pistons de pompes, les paliers, les boîtiers de tubes à vide, les tambours de freins, les engrenages ou autres mécanismes, les ustensiles de'cuisine, etco
La pellicule mince d'alliage de fer et d'aluminium qui se forme sur là surface intermédiaire entre les pièces relativement épaisses de fer et d'a- luminium résiste très fortement à la séparation entre ces pièces, même lorsque l'objet est soumis à un traitement physique et thermique rigoureux,
malgré que l'alliage de fer et d'aluminium qui constitue le lien entre les pièces ne soit pas très robuste par lui-même et qu'il soit plutôt très cassant. Néanmoins, tout défaut ou toute autre détérioration résultant, dans l'objet, d'un traitement ex- trêmement rigoureux, se produit ordinairement dans l'un des éléments, par suite de sa construction ou de ses propres propriétés physiques.Dans certains cas, lorsque l'objet est tubulaire ou cylindrique et soumis à de très grandes fluc- tuations de température avec des périodes soutenues, mais irrégulières, de hau- te température et en même temps à de lourdes charges physiques, la grande dif- férence entre les coefficients de dilatation thermique de l'aluminium et du plus commun des métaux ferreux,
l'acier, impose au lien un très grand effort qui tend
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à briser l'alliage cassant dont il est constitué. Bien que l'on puisse ré- duire cet état de choses au minimum en alliant à l'aluminium un métal qui abaisse la dilatation thermique de l'aluminium., cet expédient nuit à la pro- priété désirable qu'a l'aluminium de transmettre et de dissiper la chaleur, et pour laquelle l'aluminium a été choisi de préférence à tout autre métal.
A titre d'exemple d'un objet bimétallique cylindrique exposé à des fluctuations de température et en même temps à de lourdes charges, on ci- tera un tambour de frein constitué par une pièce intérieure cylindrique à friction en métal ferreux tel que de l'acier, avec laquelle les patins de frein peuvent venir en contact, et par un manchon ou blanchet extérieur épais en aluminium lié à la surface extérieure du cylindre en acier et muni d'ai- lettes ou de nervures pour dissiper plus rapidement la chaleur de frottement dégagée dans la pièce de friction en acier et absorbée par l'aluminium.
Par suite de la grande différence entre les coefficients de dilatation thermique de ces éléments tubulaires assemblées, l'élément extérieur en aluminium tra- vaille normalement à la tension, l'élément intérieur en acier travaille nor- malement à la compression et le lien travaille normalement à la compression.
On a constaté que lorsque l'objet est chauffé au-dessus d'une cer- taine température, les éléments travaillent en sens inverse, c'est-à-dire que l'élément extérieur en aluminium travaille à la compression, l'élément inté- rieur en métal ferreux travaille à la tension, et le lien travaille à la ten- sion. Tant que l'effort de tension agissant sur le lien est sensiblement uni- forme par unité de surface de ce lien, celui-ci n'est pas soumis à un effort dangereux et il n'est pas détérioré, même lorsque la température s'élève jus- qu'à un haut degré, ce qui augmente la tension subie par le lien, cet état de choses se produisant par exemple dans les cylindres de moteurs à combustion interne.
Toutefois, lorsqu'une augmentation rapide de la température jus- qu'à un degré élevé est accompagnée par l'action simultanée de charges physi- ques irrégulières pouvant avoir pour conséquence que l'effort exercé sur le lien ne soit plus uniforme, par exemple lorsqu'un véhicule fortement chargé tel qu'un omnibus ou un camion muni de tambours de freins bimétalliques en acier et aluminium est freiné continuellement, mais non uniformément, dans une descente, non seulement les conditions d'effort thermique régnant dans l'ensemble du frein bimétallique sont renversées, mais la charge physique ajoutée à la tension thermique dans le lien, charge qui n'est pas uniforme, peut provoquer la rupture ou la fracture de l'alliage cassant qui forme la matière du lieno Cette tendance est plus prononcée dans un tambour de frein, par exemple,
d'autant plus que la forte charge retardatrice produite par les patins de frein crée un effort circulaire de cisaillement à glissement dans le lien entre les éléments, ce qui peut entraîner finalement la rupture phy- sique d'un lien déjà affaibli pour les raisons décrites. En conséquence, un ensemble bimétallique ayant une solidité extraordinaire lui permettant de ré- sister sans détérioration à un traitement thermique et physique extrêmement rigoureux, que ce traitement soit attendu ou non pour l'ensemble, serait très désirable.
La présente invention a pour but de créer un objet bimétallique constitué par deux éléments liés entre eux et composés de métaux ayant dif- férents coefficients de dilatation thermique, ainsi que leur procédé de fa- brication, ces dits objets pouvant être soumis à de très grandes fluctuations de température, en même temps qu'à des charges physiques, sans que le lien unissant les deux éléments soit détérioré.
L'invention consiste à faire des ensembles bimétalliques composés de deux éléments liés entre eux et formés de métaux ayant des coefficients de dilatation dissemblables, tels que l'acier et l'aluminium, l'élément en métal non ferreux de grande dilatation ayant une épaisseur déterminée d'avance d'a- près une formule empirique telle que les efforts relatifs de tension et de
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compression qui se produisent dans l'élément extérieur et dans l'élément in- térieur, ainsi que dans le lien, dans une gamme de températures normales d'u tilisation et pendant la durée de ces températures, soient maintenus à des températures supérieures à celles de cette gamme, de manière que le lien ne soit pas détérioré, et comme le lien n'est pas détérioré, la solidité et la conductibilité calorique,
ainsi que d'autres propriétés de l'objet bimétal- lique sont conservées, même pour des objets cylindriques soumis aux condi- tions physiques et thermiques de fonctionnement les plus rigoureuses.
L'invention est décrite plus en détail ci-après avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels fige 1 est une coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un tambour de frein établi suivant l'invention et auquel celle-ci est ap- pliquée ; fige 2 est un graphique représentant les épaisseurs nécessaires données au blanchet ou manchon d'aluminium, suivant l'invention, pour diffé- rentes températureso
On considérera d'abord la figo 1, qui représente un tambour de frein donné à titre d'exemple d'objet métallique conforme à la présente in- vention.
Le numéro de référence 10 désigne le tambour cylindrique en acier dont la surface circulaire interne est telle que les patins de frein puissent venir en contact à friction avec elle lorsque le tambour tourne avec la roue correspondante, non représentée. Un manchon ou blanchet 11, relativement épais, en métal ayant une grande conductibilité calorique, tel que l'alumi- nium ou un alliage à base d s aluminium, est monté sur la surface extérieure du tambour 10 et fixé sur cette surface.La pellicule de fer et d'aluminium servant de lien entre les pièces 10 et 11 est désignée par 12. L'élément 11 peut être muni de nervures ou d'ailettes 13 assurant le rayonnement de la chaleur et venues de fonderie avec l'élément 11 ou usinées dans celui-ci après sa coulée, suivant les exigences du cas.
Dans le cas représenté à titre d'exemple et dans lequel le blan- chet ou manchon cylindrique extérieur 11 est en aluminium ou alliage à base d'lauminium ayant un grand coefficient de dilatation thermique, ainsi que la propriété désirée de posséder une grande conductibilité calorique. Isolé- ment extérieur 11 de grande dilatation se rétrécira, pendant le refroidisse- ment après la coulée ou aux températures de solidification, plus que Isolé- ment intérieur 10 en métal ferreux de dilatation moindre bien que ces deux éléments soient chauffés jusqu'à la même températureo Lorsque le refroidis- sement est terminée les efforts existant dans l'objet bimétallique 10, 11,
12 seront tels que Isolément extérieur 11 en métal non ferreux travaillera à la tension, tandis que le lien 12 qui relie les deux éléments 10 et 11 d'une manière homogène, travaillera à la compression.
Lorsqu'il est mis en service, un tambour de frein est souvent ap- pelé à dissiper des quantités de chaleur qui sont tellement grandes que la température du tambour de frein peut s'élever jusqu'à 550 ou même davantage.
Lorsque l'objet bimétallique décrit ci-dessus est chauffé, les efforts sont renversés dans toutes les parties constitutives à une certaine température "Tr" Cela est dû au fait que, le coefficient de dilatation thermique de l'é- lément 11 en métal non ferreux étant plus grand que celui de l'autre élément cet élément 11 se dilate davantage que l'élément 10 en métal ferreux. A la température Tr la dilatation est telle que, s'il n'y avait pas le lien 12, Isolément extérieur s'appliquerait sur l'élément intérieur 10 en contact avec lui, le régime des efforts étant neutre, c'est-à-dire qu'il n'existerait aucun effort dans aucun des trois éléments constitutifs.
Lorsque le chauffa- ge continue au-dessus de cette température Tr, le lien 12 seul maintient les deux autres éléments 10 et 11 en contact et le régime des efforts est mainte- nant tel que isolément extérieur 11 en métal non ferreux travaille à la com- pression, tandis que isolément intérieur 10 en métal ferreux travaille à la
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tension, le lien 12, qui relie ces deux éléments d'une manière homogène, tra- vaillant à la tensiono
On a constaté que, pour des ensembles bimétalliques composés d'une partie extérieure en aluminium ou alliages d'aluminium dissipant la chaleur, Tr est compris entre 100 et 200 , la variation s'expliquant par les différences d'alliage d'aluminium, l'épaisseur et la forme de la pièce d'alu- minium.
Par exemple, pour un type de tambour de frein bimétallique de bonne qualité, Tr aura une valeur d'environ 120 ,
Comme Tr est relativement peu élevé, une augmentation de tempéra- ture dépassant notablement la température d'effort neutre Tr tend à aggraver le régime des efforts, car l'aluminium et ses alliages de base continuent à se dilater lorsque la température augmente, ce qui augmente l'effort de ten- sion agissant sur le lien 12.
Il faut donc que la construction de l'élément extérieur 11 en métal non ferreux soit comprise entre certaines limites, ou bien la tension existant dans le lien 12 augmentera jusqu'à une valeur telle que ce lien 12 se brisera sous cet effort de tension, ce qui entraînera une grande perte de pouvoir conducteur de la chaleur et peut-être une séparation physique, surtout lorsque la tension existant dans le lien 12 est accompagnée par une charge physique dont l'effet est que la tension agissant sur le lien n'est pas uniforme par unité de surface.En conséquence, l'élément 11 en mé- tal non ferreux dissipant la chaleur doit avoir une section transversale telle qu'il soit plus faible en compression, à une température de fonctionnement quelconque, que le lien 12 qui relie les deux éléments 10, 11 en métal ou en alliage.
Le facteur ,qui régit la construction d'un objet bimétallique est déterminé par le calcul ou par des essais, ou par les deux, et il dépend de la résistance à la compression, à une température de fonctionnement quelcon- que, du métal choisi en raison de ses propriétés avantageuses, telles que la grande conductibilité thermique de l'aluminium, ses propriétés d'antifriction lorsque le métal ayant une grande conductibilité est celui d'une surface de palier, portée ou surface analogueo Par exemple, ce facteur de construction, qui sera appelé K plus loin, aura une valeur d'environ 1,165 x 10-6 pour une installation moyenne de tambour de frein et pour des conditions moyennes de refroidissement
On a constaté, sur la base de ces déterminations, que pour main- tenir le lien 12 en compression pendant des augmentations de température al- lant jusqu'à 550 par exemple,
ou même davantage, de manière qu'il ne soit pas détérioré même lorsqu'il est soumis simultanément à de fortes charges de cisaillement ou autres, qui ne sont pas uniformes, l'épaisseur du blanchet ou manchon 11 en métal non ferreux ne doit pas dépasser la valeur définie par la formule suivantes t = K cote où t est l'épaisseur du manchon ou blanchet 11 en aluminium, comme cela est indiqué dans la figo 1, K le facteur de construction mentionné plus haut, le coefficient de dilatation thermique du métal non ferreux constituant le man- chon ou blanchet 11, et où
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T-Tr - 5 T où T est la température de fonction- nement maxima à laquelle l'objet pourra être soumis,et Tr la température neutre à laquelle les efforts sont renversés dans l'objet ayant une épaisseur indistincte ou indifférente pour 11.
A titre d'application du principe de la présente invention à un manchon ou blanchet de tambour de frein en aluminium industriellement pur, par exemple, si l'on applique dans la formule les valeurs mentionnées ci-des-
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sus, soit K = 1,165 x 10-6 T = 550 , Tr = 120 F et = 0,00001234, on a
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t = 1.165 x 10-6 x cotg 550 - 120 = 180 m mo '0,00001234
La fig.2 représente la courbe indiquant l'épaisseur maxima du ' manchon ou blanchet 11 pour différentes températures jusquà 525 , calculées d'après la formule ci-dessus.
Au-dessus de 525 la courbe est asymptotique jusqu'à la limite de son état de solidelimite qui est denviron 6400 pour l'aluminium industriellement puro Si un objet doit fonctionner à une tempéra- ture voisine de la limite à laquelle cet objet est encore solide,cotg peut être prise égale à 1?unités et la formule simplifiée devient t = K o
On remarquera que la gamme de températures la Plus critique est comprise entre environ 130 et environ 300 , ce qui est au moins en partie la gamme de fonctionnement de la majorité des objets bimétalliques envisagés icioOn remarquera également que la courbe est asymptotique au-dessous de 130 , et que l'épaisseur maxima du manchon ou blanchet 11 ne présente virtuel- lement que peu ou pas de différence au-dessous de cette température.
Si l'on se base sur des courbes comme celle de la figo 2 pour dé- terminer l'épaisseur maxima de divers métaux et alliages constituant le man- chon ou blanchet 11, on peut être sur d'obtenir un lien 12 très solide dans toutes les conditions de fonctionnement connues,d'autant plus que ce lien est constamment en compression, même au cas où les conditions d'efforts se renverseraient, autrement,au-dessus de Tr dans un objet dont le manchon ou blanchet Il a une épaisseur indistincte ou indifférente.Même lorsqu?il nest pas probable que l'objet bimétallique sera soumis à des températures supérieu- res au point Tr de renversement des efforts,il est utile de faire le manchon de cet objet de manière que ses dimensions soient celles qui sont prescrites par la présente invention,
de manière à se prémunir contre toute détériora- tion si l'objet venait à être soumis par inadvertance à des conditions inat- tendues. Ainsi, les pistons et cylindres de pompes aussi bien que ceux de mo- teurs devraient être établis suivant 1?inventions de même que les paliers ou les coussinets, en prévision d'une surchauffe possible due au fait que le grais- sage vient à faire défaut, aussi bien que les boîtiers de tubes à vides les us- tensiles de cuisine et d'autres objets bimétalliques exposés à de fortes fluc- tuations de température.
Bien que la description du procédé et de l'objet conformes à la présente invention vise un tambour de frein bimétallique, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ou par cette application et qu'elle peut être appliquée à de nombreux autres usages ou à de nombreuses autres adapta- tins,de même que des modifications de forme et de détails peuvent être ap- portées dans,son cadre.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication d'un objet complexe composé d'un élément en métal à base d'aluminium et d'un élément en métal ferreux chimiquement liés entre eux par un alliage principalement composé des deux dits métaux et dans lequel les conditions d'efforts thermiques opposés existant dans les deux éléments aux températures normales s'inversent pour une température supérieure à une température déterminée d'avance, consistant à régler l'épaisseur de l'élément en métal à base d'aluminium à une dimension telle que les dites conditions d'efforts thermiques existant aux températures normales dans les deux.éléments- soient maintenues lorsque ledit objet est soumis à une température supérieure à celle dinversion desdits efforts thermiques.
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