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PROCEDE DE FABRICATION PAR VOIE METALLO-CERAMIQUE DE SEGMENTS DE PISTONS POUR
MOTEURS A COMBUSTION INTERNE A REGIMES ELEVES.
La présente invention concerne la fabrication par frittage de segments de pistons à base de fer pour moteurs à combustion interne à ré- gimes élevés c'est-à-dire tournant très vite.
On sait que la fabrication connue d'après la technique de la métallurgie des poudres d'autres objets consiste essentiellement à soumettre une poudre métallique à une compression, puis à un frittage c'est-à-dire som- me toute à leur faire subir un traitement thermique à une température nette- ment inférieure au point de fusion du mélange de poudre métallique. Dans cette technique, il est déjà connu d'augmenter la résistance des pièces frittées ainsi obtenues en ajoutant à;la poudre à base de fer doux formée des diverses substances un pourcentage plus grand de manganèse, de chrome ou de sillicium.
On a également tenté d'augmenter le coefficient de résis- tance des pièces frittées en question en les comprimant à froid après coup ou bien en soumettant les objets à un frittage multipleo Mais on n'a pas obtenu par ces artifices d'augmentation appréciable de leur résistance.
Enfin on a également pense,.dans la fabrication des pièces frittées, à réunir le processus de la compression et du frittage pour en faire un stade du pressage à chaude
On a proposé par ailleurs d'accroître la résistance des piè- ces frittées de ce genre, par exemple de celles qui doivent posséder de bon- nes propriétés de glissement, en soumettant chaque pièce comprimée puis frit- tée pendant un temps prolongé (de l'ordre de deux heures) à une température approximative de 1100 C à un pressage ultérieur à chaud ne durant qu'un temps très court de l'ordre de quelque heures.
Mais cette façon de procéder a don- né lieu à des phénomènes tout à fait différents car par suite du nouveau trai- tement thermique sous pression le mélange de matières déjà soumis à un pro- cessus de frittage prolongé et dans lequel s'était produite une diffusion poussée des particules de matières, est le siège d'une transformation cris- talline qui motive le changement des propriétés;
de ces pièces de glissemeit
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C'est ainsi par exemple que si l'on procède comme il vient d'être indiqué on constate que le pressage à chaud se traduit par une diminution de la po- rosité de la pièce, qui tombe à une valeur qui n'est plus qu'une fraction de celle des pièces de glissement frittéeso Ce mode opératoire a permis notamment d'obtenir, dans des pièces frittées à base de fer (dans l'hypo- thèse d'une pièce de glissement contenant environ 93% de fer) au lieu de 25% de pores comne auparavant une microporosité représentant de 2% à 3% pour un poids spécifique approximativement égal à 7;5, par rapport à 6.
On utilise suivant ce procédé des mélanges de fer additionnés de graphite et d'un métal lourd, en particulier de plomb, la partie non ferreuse pouvant s'élever jusqu'à 10% du total. Le plomb n'est pas utilisé à l'état pur, mais mélangé à d'autres éléments du groupe des métaux lourds. Parmi les métaux lourds qui conviennent comme éléments d'addition on peut citer l'é- tain, l'antimoine, le manganèse, le chrome, le silicium, le nickel et le cuivre.
Pour éviter des processus de diffusion dans les séries de cristaux mixtes Fe - Pb - Sn ; Pb - Si et Fe - Pb - Sb - Sn, on calcule le rapport entre l'étain et l'antimoine en fonction de la quantité de plomb qu'on ajou- teo Grâce aux cristaux mixtes qu'on obtient, il se manifeste par opposition aux phases binaires Fe-C une phase de cristaux mixtes formée de plusieurs constituants qui assure à la pièce de glissement, en dehors des valeurs de résistance de l'acier, des qualités d'élasticité analogues à celles que pos- sèdent les fontes spécialeso Les pièces de glissement obtenues par un pres- sage suivi d'un frittage de poudre de fer en conjugaison avec les autres ma- tières indiquées sont soumises à un traitement ultérieur par pressage,
for- geage ou laminage sous une pression de 3 tonnes par cm2 et à une température supérieure à 800 C. Si, comme l'enseignait la technique antérieure, les é- bauches frittées sont soumises à une compression à chau4 sous 6 tonnes par cm2 et à 1000 Co, cette compression pouvant d'ailleurs être remplacée par un forgeage ou un laminage, on donne aux pièces comme d'après le procédé an- térieurement proposé, les qualités qui sont nécessaires aux segments de pis- tons, c'est-à-dire que ces pièces ont une limite d'étirage et un module d'é- lasticité élevés.
Ces qualités sont indispensables pour les segments,- de pistons puisqu'ils doivent tout d'abord être mis sous tension pour être mon- tés sur le piston sans qu'il en résulte de déformation permanente et qu'ils doivent, en outre, conserver après montage leur flexibilité originelle.
Les recherches qui ont conduit à l'invention ont permis de constater que les segments de pistons fabriqués d'après le procédé antérieu- rement proposé ne répondent pas toujours aux desiderata quand ils doivent être employés dans des moteurs à combustion interne à régimes élevés, car ceux-ci leur imposent des efforts beaucoup plus grands tant au point de vue thermique qu'au point de vue mécanique.
Ceci posé, le but de l'invention est de créer un procédé per- mettant la fabrication de segments de pistons spécialement utilisables dans les moteurs à combustion interne à taux de compression et à régime élevés, c'est-à-dire dans des conditions postulant de fortes contnaintes thermiques.
Ce procédé de fabrication de segments de pistons utilise éga- lement un processus métallo-céramique et en particulier une base ferreuse avec addition de graphite et de plomb. L'addition de plomb peut s'élever jusqu'à 10% et on peut, le cas échéant, ajouter également d'autres métaux lourds. Si l'on prévoit d'autres additions de métaux lourds comme l'étain, l'antimoine, le manganèse, le chrome, le sillicium., le nickel et le cuivre il convient comme cela. a été exposé à propos du procédé antérieur, de régler de telle sorte le rapport entre les éléments d'addition et la quantité de plomb que des processus de diffusion dans les séries de cristaux mixtes déjà indiquées soient évitéso
On peut utiliser pour la mise en oeuvre du nouveau procédé de fabrication divers processus opératoires.
On peut s'efforcer d'obtenir un métal avec texture formée de perlite ou de sorbite granulaire ce qui est particulièrement intéressant pour la fabrication de segments de pistons ap- pelés à subir' de fortes contraintes thermiques dans des moteurs à combustion
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interne à taux de compression et à régime élevés (par exemple dans les mo- teurs où les segments de pistons atteignent des températures de fonctionne- ment s'élevant jusqu'à 300 C), tandis que suivant un autre mode de mise en oeuvre du procédé en question on s'efforce d'obtenir un métal à texture per- litique à lamelles fines, ce qui a sa valeur quand il s'agit de segments de pistons soumis à de faibles contraintes thermiques dans des moteurs à combus- tion interne tournant à des vitesses élevées,
les températures des segments s'élevant jusqu'aux environ de 200 Co
La texture perlitique lamellaire du métal est obtenue dans la fabrication d'ébauches de segments de pistons à base de fer avec addition de métal ou de métaux lourds (plomb) dans une proportion comprise entre 1 et 10% (de préférence! ne dépassant pas 5% environ) en commençant par former des agglomérés à partir de la matière, ce qui lui donne un poids spécifique d'environ 6,3 à 6, 5, puis en la frittant pendant une à deux heures à une température comprise entre 1000 C et 1200 Co, ensuite en la comprimant à une température approximative de 900 C à 1000 C,o sous une pression de 6 à 7 tonnes par cm2, enfin en refroidissant lentement les pièces, par exemple dans l'air ou dans un gaz protecteur.
On obtient également un métal à texture perlitique lamellaire en commençant par tasser sous forme d'agglomérés la matière dont on part - (poids spécifique 6,3 à 6,5), puis en la frittant à une température comprise entre 1000 C et 1200 Co pendant une à deux heures, ensuite en la comprimant graduellement à froid sous une pression de 10 tonnes par cm2 (pour lui don- ner un poids spécifique de 7,6 à 7,7) enfin après l'avoir réchauffée à 850 C. à 900 C. en la laissant refroidir lentement pendant une heure environ (post- frittage).
Ces textures perlitiques lamellaires sont particulièrement inté- ressantes pour les segments des pistons de moteurs à combustion interne tour- nant très vite, ces segments étant soumis à des contraintes thermiques de l'ordre de 200 C par exempleo
Pour les segments de pistons destinés à des moteurs à combus- tion interne à régime élevé'et appelés à subir de fortes contraintes thermi- ques de l'ordre de 300 C. par exemple, il y a lieu de donner au métal de l'é- bauche des segments de'pistons une texture perlitique ou sorbitique granulai+ re, ce qu'on réalise en procédant comme suit :
- On commence par presser le métal jusqu'à ce qu'il ait un poids spécifique de 6,3 à 6,5, puis on le sou- met à un frittage à une température de 100 C. à 1200 Co pendant une à deux heures, ensuite on le comprime à chaud entre 900 C et 1000 C sous une pres- sion de 6 à 7 tonnes par cm2, ce qui augmente son poids spécifique à 7,6 à 7,70 Ce travail est suivi d'un traitement thermique ultérieur à une tempé- rature de 800 C. à 850 C.
et d'une trempe par refroidissement brutal et ra- pide, par exemple dans l'huileo Suivant un autre mode de réalisation du pro- cédé destiné à l'obtention d'un métal ayant une texture perlitique granulai- re spécialement utilisable pour la fabrication des segments de pistons, on commence par le presser (à un poids spécifique compris entre 6,3 et 6,5), puis on le soumet à un frittage prolongé entre 1000 Co et 1200 Co pendant une à deux heures, ensuite à une compression graduelle à froid sous une pression allant jusqu'à 10 tonnes par cm2 (poids spécifique 7,6 à 7,7).
Après'un réchauffage poussé jusqu'à 850 Co et 900 Co et prolongé pendant une heure (post-frittage) on le trempe brusquement et rapidement, par exemple dans l'huilée
La façon de procéder mentionnée en dernier ieu peut subir une variante consistant à pousser la compression à froid jusqu'à 15 tonnes par cm2 et à faire subir la trempe brusque et rapide (par exemple dans l'hui- le) d'un revenu à une température approximative de 500 C .à 650 Co ou en tous cas à une température inférieure au point critique (720 Co) de la ma- tière.
Grâce à la compression à froid, la cémentite qui, lors du frit- tage, prend naissance après le pressage, ainsi que le graphite libre encore présent et les cristaux mixtes du groupe Fe - C et des métaux lourds sont dé- sagrégés. Il se produit dans ces conditions, lors du réchauffage ultérieur
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à une température de 760 C à 820 C et de la trempe rapide qui y fait suite; une rapide transformation qui donne lieu à de la martensite. Lors du revenu qui y fait suite et qui est effectué à des températures s'élevant jusqu'à -.
650 C. environ le métal acquiert une texture dont la caractéristique parti- culière est la sorbite de revenuo Cet élément donne au métal les qualités qui sont précieuses pour la constitution des segments de pistons, à savoir une limite d'étirage élevée, une résistance et une élasticité suffisante, ainsi que des propriétés non encore atteintes jusqu'ici au point de vue dou- ceur de frottement et résistance à l'usure La durée du revenu est calculée en fonction de la section droite de la pièce et de la résistance qu'on veut lui donner. Cette durée doit être plus grande si la section de la pièce est plus grande et si l'on veut obtenir une plus grande résistance.
EXEMPLE DE REALISATION ? 1.
On mélange 93% de poudre de fer, 1,5 % de graphite ayant une teneur en cendres égale à 15% et 4,5 % de poudre de plomb spéciale (avec ad- dition) .
La poudre du mélange présente approximativement la répartition suivante des grosseurs de grains,:
EMI4.1
au-dessus de 0 y 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o a o 0 15% entre Omm,2 et oInm; 100000 G 0 0000 G 000.0 26 % entre 0,. et 0 mm ,06 00000000000000 z en-dessous de Omm,06 ..................... 20 %
Le pressage a lieu sous une pression de 4,9 tonnes au cm2.
Le frittage dans un four à atmosphère neutre dure 2 heures sous une température de 1100 C. environo Les pièces brutes résultant du frittage ont une proportion de pores égale à 23% leur résistance à la rupture (par traction) est comprise entre 10 et 12 kg/cm2. Ces pièces brutes sont comprimées sous une pression de 7 tonnes par cm et à une tempé- rature de 1100 C ; leur réchauffement graduel est effectué dans un gaz pro- tecteur.
Les pièces brutes en question ont une texture perlitique très marquée à lamelles fines. Leurs indices technologiques sont les suivants : -
EMI4.2
Limite d'étirage QoooasoovoaoooQOOOam,ooo,0 57, 5 kg/mm Résistance à la rupture par traction aooooa 76,5 kg/mm2 Allongement 0000080000000000000000000000000 1,5 %
L'analyse des pièces brutes ainsi fabriquées révèle la compo- sition suivante : -
EMI4.3
<tb> 0,48 <SEP> % <SEP> de <SEP> C
<tb>
<tb> 0,17 <SEP> % <SEP> de <SEP> Si
<tb>
<tb> 0,18% <SEP> de <SEP> Mn
<tb>
<tb> 0,029 <SEP> % <SEP> de <SEP> P
<tb>
<tb> 3,35 <SEP> % <SEP> de <SEP> Pb
<tb>
<tb> 0,41 <SEP> % <SEP> de <SEP> Sn <SEP>
<tb>
<tb> 0,45% <SEP> de <SEP> Cu
<tb>
le reste étant représenté par du fera EXEMPLE DE REALISATION N 2.
On presse de la même façon le même mélange de poudre de fer et de poudre de plomb spéciale, puis on le soumet au frittage comme dans l'exemple N 1.
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On comprime ensuite à froid les'pièces brutes en-procédant graduellement jusqu'à une pression maximum de 9,8 tonnes par cm2. On chauf- fe ensuite les pièces brutes pendant une heure à une température de 850 C; qu'on maintient à cette valeuro L'effet de ce réchauffage peut également être obtenu dans un temps plus court en faisant agir une température plus élevée mais toujours inférieure à la température de frittage. Après la fin du réchauffage on trempe brusquement les pièces brutes dans l'huile.
Les pièces une fois terminées ont une texture perlitique gra- nulaire accusée. Leurs indices technologiques sont les suivants;
EMI5.1
<tb> Limite <SEP> d'étirage <SEP> ........................ <SEP> 62,6 <SEP> kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> par <SEP> traction <SEP> .....74,5 <SEP> kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Allongement <SEP> approximatif <SEP> .................2 <SEP> %
<tb>
L'analyse de ces pièces brutes révèle la composition suivante :
EMI5.2
<tb> 0, <SEP> 52% <SEP> de <SEP> C <SEP>
<tb>
<tb> 0,16% <SEP> de <SEP> Si
<tb>
<tb> 0,19% <SEP> de <SEP> Mn
<tb>
<tb> 0,003% <SEP> de <SEP> P
<tb>
<tb> 3,45 <SEP> % <SEP> de <SEP> Pb
<tb>
<tb> 0,36 <SEP> % <SEP> de <SEP> Sn
<tb>
<tb> 0,52 <SEP> % <SEP> de <SEP> Cu
<tb>
le reste étant représenté par du fer.