CA2018288A1 - Dispositif de traitement par anodisation de pistons en alliage d'aluminium utilises dans les moteurs a combustion interne - Google Patents
Dispositif de traitement par anodisation de pistons en alliage d'aluminium utilises dans les moteurs a combustion interneInfo
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Abstract
Dispositif de traitement par anodisation de pistons en alliage d'aluminium utilisés dans les moteurs à combustion interne. Ce dispositif où ledit piston est relié au pôle positif d'une source de courant continu est caractérisé en ce que sa surface latérale est équipée le long d'une directrice située à proximité de la tête d'un déflecteur en matériau isolant de l'électricité dont la surface, côté tête, est placée en regard d'une électrode reliée au pôle négatif de ladite source et percée d'au moins une ouverture permettant le passage d'un flux régulé d'électrolyte d'anodisation dirigé vers la tête. Ce dispositif trouve son application dans l'obtention, avec une grande vitesse et sans recours à l'utilisation de masques ou de traitements autres que l'anodisation, de couches barrières limitées aux têtes de piston et qui empêchent le développement de contraintes thermiques nuisibles au bon fonctionnement dudit piston.
Description
20~
DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR ANODISATION DE PISTONS EN ALLIAGE
D~ALUMINIUM UTILISES DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE
La présente invention est relative à un dispositif de traitemen-t par anodisation de pistons en alliage d'aluminiurn utilisés dans les moteurs à
combustion interne.
On sait que, dans les moteurs à combustion interne, les parties des pistons situées à proximi-té de la zone de combustion et plus - particulièrement les têtes sont en contact avec des gaz relativement chauds et donc soumises à de fortes contraintes thermiques qui peuvent provoquer notamment des déformations ou des évolutions de la structure métallurgique nuisibles au bon fonctionnement desdits moteurs.
Pour atténuer l'effet de ces contraintes, notamment dans le cas de pistons réalisés en alliage d'aluminium, l'homme de l'art sait qu'il peut par exemple les traiter par oxyda-tion électrolytique ou anodisation de tnanière à développer à leur surface une couche d'oxyde dite barri~re thermique qui protégera le métal du pis-ton de l'action défavorable de la chaleur.
Cette anodisation est obtenue de manière classique par Lmmersion du pis-ton dans un bain d'électrolyte et passage de courant électrique alternatif ou continu entre ledit bain et ledit piston, ce dernier jouant le rôle d'anode dans le cas de l'utilisation d'un courant continu.
Etant donné que c'est surtout la région de la tête qui doit être protégée, il paraît inutile et anti-économique de procéder à l'anodisation complète du piston d'autant que cette opération peut nuire à l'état de surface de certaines autres parties dudit piston. C'est pourquoi avant de procéder à
L'anodisation on place généralement sur le piston des épargneæ ou masques en cire ou en rnatière polymérique aux endroits où on souhaite main-tenir la surface dans son é-tat initial~
Cette pratique exige une main d'oeuvre supplémentaire chargée d'abord de poser les masques puis de les enlever soit par dissolution ou tout autre moyen et conduit à une augmentation de la durée totale et du coût du traitement.
:
.
. '' ,~.,'. .; ~
'
DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR ANODISATION DE PISTONS EN ALLIAGE
D~ALUMINIUM UTILISES DANS LES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE
La présente invention est relative à un dispositif de traitemen-t par anodisation de pistons en alliage d'aluminiurn utilisés dans les moteurs à
combustion interne.
On sait que, dans les moteurs à combustion interne, les parties des pistons situées à proximi-té de la zone de combustion et plus - particulièrement les têtes sont en contact avec des gaz relativement chauds et donc soumises à de fortes contraintes thermiques qui peuvent provoquer notamment des déformations ou des évolutions de la structure métallurgique nuisibles au bon fonctionnement desdits moteurs.
Pour atténuer l'effet de ces contraintes, notamment dans le cas de pistons réalisés en alliage d'aluminium, l'homme de l'art sait qu'il peut par exemple les traiter par oxyda-tion électrolytique ou anodisation de tnanière à développer à leur surface une couche d'oxyde dite barri~re thermique qui protégera le métal du pis-ton de l'action défavorable de la chaleur.
Cette anodisation est obtenue de manière classique par Lmmersion du pis-ton dans un bain d'électrolyte et passage de courant électrique alternatif ou continu entre ledit bain et ledit piston, ce dernier jouant le rôle d'anode dans le cas de l'utilisation d'un courant continu.
Etant donné que c'est surtout la région de la tête qui doit être protégée, il paraît inutile et anti-économique de procéder à l'anodisation complète du piston d'autant que cette opération peut nuire à l'état de surface de certaines autres parties dudit piston. C'est pourquoi avant de procéder à
L'anodisation on place généralement sur le piston des épargneæ ou masques en cire ou en rnatière polymérique aux endroits où on souhaite main-tenir la surface dans son é-tat initial~
Cette pratique exige une main d'oeuvre supplémentaire chargée d'abord de poser les masques puis de les enlever soit par dissolution ou tout autre moyen et conduit à une augmentation de la durée totale et du coût du traitement.
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. '' ,~.,'. .; ~
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- 2 - ~ ~ ~8Z88 Par ai]~eurs, pour que ~a collche d'oxyde joue son rôle de barri.ère thermique avec suffisarnment d'efficaci-té, il. faut que son épaisseur soit au moins éga]e à 50 ~rn d~où la nécessi.té de mener l'anodisation jusqu'à
l'établissernent de fortes tensions anode-cathode. Dans ces conditions, on risque de détériorer la couche par le phénomène de brû:l.ure qui est une dissolution accélérée et l.ocalisée de ladite couche sous l'effet d'une concentration élevée des densités de courant en certains points et qui entraîne de fortes élévations locales de température. Pour supprimer ce risque, on doit se limiter à l'utilisation de densités de courant inférieures à 10 A/dm2 et à prolonger de ce fait la durée d'anodisation au-delà d'une demi-heure pour obtenir une épaisseur convenable d'oxyde.
Il faut encore que cette couche présente une bonne tenue à la fatigue thermique et qu'elle soi.t suffisamment dure afin de ne pas se disloquer lors du fonctionnement du piston. Pour parvenir à ce résultat, i]. est connu de procéder après anodisati.on à certains tra:Ltements tels qu'une compression de la couche comme cela est revend.iqué par exemple dans le brevet fran~ais 2 354 ~50.
Consci.ente des problèmes que pose l'obtention de pistons revêtus de barrières thermiques convenables, la demanderesse a cherché et trouvé une solution qui supprime à la fois l'utilisation des masques, les durées : prolongées d'anodisation et qui confère à la couche d'oxyde les propriétés requises et ce sans avoir recours à d'autres opérations que l'anodisation proprement dite.
Cette solution consiste à mettre en oeuvre un dispositif de traitement par anodisation de plstons en all.iage d'alumi.ni.-ml ut:i.lisés dans les moteurs à
combustion interne caracter:Lsé en ce que la surface latérale cylindri.que 30 dudit piston est reliée au pôle positiLf` d'une source de courant continu par au moins deux pièces appliquée.s symétriquement sur ladite surface, qu'elle est équipée le long d'une directrice située à proximité de la tête . d'un déflecteur en matériau isolant de l'électrici.té dont le pourtour est .; recourbé vers le bas, dont la surface côté tete est placée en regard d'une 35 électrode reliée au pôle négatif de la source de courant et percée d'au moins une ouverture permettant le passage d'un flux régulé d'électrolyte 8~
-- 3 -- ~
d'anodisation di.rigé vers la tête et dont l.a surface en regard de l.adite éJ.ectrode est munie d~un joint soup~.e qui s~appui.e sur l.a surface du piston.
Dans cette invention, le piston est donc relié au pôle positif d'une source de courant continu, par au moins deux pièces pl.acées symétriquement par rapport a l'axe du piston et appliquées contre sa surface latéral.e de manière à avoir une bonne répartition du courant et à obtenir une couche anodisée homogène.
La surface latérale du pis-ton est équipée d~un déflecteur, sorte de plat de préférence circulaire et don-t le pour-tour est recourbé ~ers le bas suivant un profil adapté à l~écoulement de l'é].ectro]yte. Ce déflecteur s'appuie ].e long d'une di.rectrice du piston située ].e plus près possible de la tête et a pour fonction de fai.re écran à tout passage d'électroly-te vers le haut du piston et ai.ns.i ~ ].i.miter l.'effet d'anod.i.sation presque exc:l.us:ivement ~ ].a tête.
Comme il n'est pas ais~ de rea~.iser une étanchéité totale entre le déflecteur et la ~urface latérale du piston, ni même de placer ce dernier au niveau de la tête, il est préférab].e de ].e munir d'un joint d'étanchéité qui vi.ent s'appuyer sur ladite surface jusqu'au niveau de la tête.
La matière utilisée pour réali.ser ce déflecteur peut être tout matériau isolant de l'électricité susceptible d'être convenablement mis en forme.
En regard de :I.a s~lrface de ce déflectellr, côte tête, est placée une 6:1.ectrode ayant de préférence une forrne c:ircu].aire et dont ].e pourtour estlégèrement recourbé vers le bas. Cette é].ectrode est reliée au pôle négatif de ladite source de courant et percée de préférence en son centre par au moins une ouverture.
Au travers de cette ouverture passe un flux régulé d'électrolyte amené par .35 une -tuyauterie d~alimentation et qui vient lécher la tête du piston et l'anodiser avant de s'échapper par l'espace annulai.re existant entre le déflecteur et l'électrode dans une direction qui épouse le profil du 2~82~38 ~, d'alimentation éventuellement après avoir été refroidi. La régulation du flux d'électrolyte peut etre obtenue par tout moyen connu te] que pompe volumétrique ou système d~alimentation SOU5 pression hydrostatique constante.
Il est évident que les circuits en contact avec l'électrolyte sont réalisés en un matériau inerte chimiquement vis-à-vis de ce dernier.
Un tel dispositif permet de remédier aux inconvénients cités plus haut. En effet, d'une part, en raison de la présence du déflecteur et éventuellement du joint d'étanchéité, seule la -tête du piston est anodisée et il n'est donc nul besoin de recourir à des masques ou épargnes.
D'autre part, le passage d'un flux régulé d'électrolyte vers la tête lS permet de réaliser un régime hydrodynamique adapté aux dimensions de la surface à anodiser et assure une grande vitesse d'évacuation des calories de sorte qu'on peut augmenter no-tablement la densité de courant d'anodisation sans provoquer de "brûlure". De plus, la masse quasi entière du piston étant à l'air libre sert de dissipateur de calories et contribue ~galement à la possibil:ite d'utilisation de fortes densltes de courant.
Un tel dispositif conduit en outre à l'obtention de couches d'oxyde de forte épaisseur pouvant dépasser 70 Um et ce en moins de 5 minutes et ces couches présentent naturellement, c'est-à-dire sans aucun traitement ultérieur, une dureté et une résistance à la fatigue convel~ables.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure ci-jointe qui représente le dispositif en coupe axiale verticale.
On y distingue un piston 1 sur la paroi latérale duquel est fixé, au moyen des vis 2, l'alimentation 3 en courant reliée au pôle positif d'une source non représentée. Cette alimentation est solidaire du dé~lecteur 4 muni d'un joint souple 5. En regard de la tête 6 à anodiser est placée une ; électrode 7 percée en son centre de plusieurs ouvertures 8 à travers lesquelles passe un flux d'électrolyte 9 amené par la tuyauterie 10 reliée à un moyen de propulsion non représenté permettant d'assurer une alimentation régulière.
~' .~ .
20182~
~ 5 --L'invention peut être illus-trée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
Sur la paroi latérale d'un piston en alliage d'aluminium du type AS12UN
(c'est-à-dire contenant en poids environ 12 % de silicium, 1 % de cuivre et 1 % de nickel comme éléments principaux d'addition), on a fixé une alimentation en courant continu reliée au pole positif d'une source. Cette alimentation était solidaire d~un déflecteur ajusté à la paroi du piston.
Une électrode en titane mûnie de trous é-tait placée à 5 cm de la tête et reliée à une tuyauterie dans laquelle circulait l'électrolyte contenan-t 180 g/l de H2S04 à 5 C. On a fait passer une densité de courant de 50 A/dm pendant 3 minutes et obtenu une couche d'oxyde d'épaisseur 65 ~m ne présentant aucune trace de brûlure. Différentes mesures ont alors été
effectuées sur le piston. On a no-té d'abord que la couche avait une dureté
comprise entre 200 et 300 HV. Ce piston a ensuite été soumis à des essais de fatigue thermique dont le cycle est indiqué ci-dessous :
:~ .
- passage de - 20 C ~ 350 C en 15 s.
- refroidissemer,t air, 15 ~.
- refroidis~emerlt ea~l, 15 s.
r3écha~c air, 15 s.
Les essais ont été conduits jusqu'à 6000 cycles. Après 1000 cycles, une légère porosité apparaissait. Mais ce n'est qu'après 5000 cycles que la couche commençait à se déliter. Des criques sont apparues à 6000 cycles, mais leur profondeur (0,5 mm) est moindre que dans un procédé
~; conventionnel.
'' Pour augmenter la dureté de la couche, des essais ont été repris dans les m8mes conditions et avec le même dispositif que précédemment, mais l'électrolyte avait la cornposltion r,uivante :
H2S4 180 g/l H C O ) 10 g/l '~ ' et sa température était de 0 C.
Après anodisation à la même densité de courant, on a obtenu en moins de ,.
~0 IL~ 38 5 min., une couche dont l'épaisseur est supérieure à 60 ~m. Sa résistance en fatigue thermique était comparable à celle obtenue dans l'exemple précédent. Mais la dureté était supérieure à 400 HV, valeur qui est jugée suffisante pour l'application considérée.
l'établissernent de fortes tensions anode-cathode. Dans ces conditions, on risque de détériorer la couche par le phénomène de brû:l.ure qui est une dissolution accélérée et l.ocalisée de ladite couche sous l'effet d'une concentration élevée des densités de courant en certains points et qui entraîne de fortes élévations locales de température. Pour supprimer ce risque, on doit se limiter à l'utilisation de densités de courant inférieures à 10 A/dm2 et à prolonger de ce fait la durée d'anodisation au-delà d'une demi-heure pour obtenir une épaisseur convenable d'oxyde.
Il faut encore que cette couche présente une bonne tenue à la fatigue thermique et qu'elle soi.t suffisamment dure afin de ne pas se disloquer lors du fonctionnement du piston. Pour parvenir à ce résultat, i]. est connu de procéder après anodisati.on à certains tra:Ltements tels qu'une compression de la couche comme cela est revend.iqué par exemple dans le brevet fran~ais 2 354 ~50.
Consci.ente des problèmes que pose l'obtention de pistons revêtus de barrières thermiques convenables, la demanderesse a cherché et trouvé une solution qui supprime à la fois l'utilisation des masques, les durées : prolongées d'anodisation et qui confère à la couche d'oxyde les propriétés requises et ce sans avoir recours à d'autres opérations que l'anodisation proprement dite.
Cette solution consiste à mettre en oeuvre un dispositif de traitement par anodisation de plstons en all.iage d'alumi.ni.-ml ut:i.lisés dans les moteurs à
combustion interne caracter:Lsé en ce que la surface latérale cylindri.que 30 dudit piston est reliée au pôle positiLf` d'une source de courant continu par au moins deux pièces appliquée.s symétriquement sur ladite surface, qu'elle est équipée le long d'une directrice située à proximité de la tête . d'un déflecteur en matériau isolant de l'électrici.té dont le pourtour est .; recourbé vers le bas, dont la surface côté tete est placée en regard d'une 35 électrode reliée au pôle négatif de la source de courant et percée d'au moins une ouverture permettant le passage d'un flux régulé d'électrolyte 8~
-- 3 -- ~
d'anodisation di.rigé vers la tête et dont l.a surface en regard de l.adite éJ.ectrode est munie d~un joint soup~.e qui s~appui.e sur l.a surface du piston.
Dans cette invention, le piston est donc relié au pôle positif d'une source de courant continu, par au moins deux pièces pl.acées symétriquement par rapport a l'axe du piston et appliquées contre sa surface latéral.e de manière à avoir une bonne répartition du courant et à obtenir une couche anodisée homogène.
La surface latérale du pis-ton est équipée d~un déflecteur, sorte de plat de préférence circulaire et don-t le pour-tour est recourbé ~ers le bas suivant un profil adapté à l~écoulement de l'é].ectro]yte. Ce déflecteur s'appuie ].e long d'une di.rectrice du piston située ].e plus près possible de la tête et a pour fonction de fai.re écran à tout passage d'électroly-te vers le haut du piston et ai.ns.i ~ ].i.miter l.'effet d'anod.i.sation presque exc:l.us:ivement ~ ].a tête.
Comme il n'est pas ais~ de rea~.iser une étanchéité totale entre le déflecteur et la ~urface latérale du piston, ni même de placer ce dernier au niveau de la tête, il est préférab].e de ].e munir d'un joint d'étanchéité qui vi.ent s'appuyer sur ladite surface jusqu'au niveau de la tête.
La matière utilisée pour réali.ser ce déflecteur peut être tout matériau isolant de l'électricité susceptible d'être convenablement mis en forme.
En regard de :I.a s~lrface de ce déflectellr, côte tête, est placée une 6:1.ectrode ayant de préférence une forrne c:ircu].aire et dont ].e pourtour estlégèrement recourbé vers le bas. Cette é].ectrode est reliée au pôle négatif de ladite source de courant et percée de préférence en son centre par au moins une ouverture.
Au travers de cette ouverture passe un flux régulé d'électrolyte amené par .35 une -tuyauterie d~alimentation et qui vient lécher la tête du piston et l'anodiser avant de s'échapper par l'espace annulai.re existant entre le déflecteur et l'électrode dans une direction qui épouse le profil du 2~82~38 ~, d'alimentation éventuellement après avoir été refroidi. La régulation du flux d'électrolyte peut etre obtenue par tout moyen connu te] que pompe volumétrique ou système d~alimentation SOU5 pression hydrostatique constante.
Il est évident que les circuits en contact avec l'électrolyte sont réalisés en un matériau inerte chimiquement vis-à-vis de ce dernier.
Un tel dispositif permet de remédier aux inconvénients cités plus haut. En effet, d'une part, en raison de la présence du déflecteur et éventuellement du joint d'étanchéité, seule la -tête du piston est anodisée et il n'est donc nul besoin de recourir à des masques ou épargnes.
D'autre part, le passage d'un flux régulé d'électrolyte vers la tête lS permet de réaliser un régime hydrodynamique adapté aux dimensions de la surface à anodiser et assure une grande vitesse d'évacuation des calories de sorte qu'on peut augmenter no-tablement la densité de courant d'anodisation sans provoquer de "brûlure". De plus, la masse quasi entière du piston étant à l'air libre sert de dissipateur de calories et contribue ~galement à la possibil:ite d'utilisation de fortes densltes de courant.
Un tel dispositif conduit en outre à l'obtention de couches d'oxyde de forte épaisseur pouvant dépasser 70 Um et ce en moins de 5 minutes et ces couches présentent naturellement, c'est-à-dire sans aucun traitement ultérieur, une dureté et une résistance à la fatigue convel~ables.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure ci-jointe qui représente le dispositif en coupe axiale verticale.
On y distingue un piston 1 sur la paroi latérale duquel est fixé, au moyen des vis 2, l'alimentation 3 en courant reliée au pôle positif d'une source non représentée. Cette alimentation est solidaire du dé~lecteur 4 muni d'un joint souple 5. En regard de la tête 6 à anodiser est placée une ; électrode 7 percée en son centre de plusieurs ouvertures 8 à travers lesquelles passe un flux d'électrolyte 9 amené par la tuyauterie 10 reliée à un moyen de propulsion non représenté permettant d'assurer une alimentation régulière.
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20182~
~ 5 --L'invention peut être illus-trée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
Sur la paroi latérale d'un piston en alliage d'aluminium du type AS12UN
(c'est-à-dire contenant en poids environ 12 % de silicium, 1 % de cuivre et 1 % de nickel comme éléments principaux d'addition), on a fixé une alimentation en courant continu reliée au pole positif d'une source. Cette alimentation était solidaire d~un déflecteur ajusté à la paroi du piston.
Une électrode en titane mûnie de trous é-tait placée à 5 cm de la tête et reliée à une tuyauterie dans laquelle circulait l'électrolyte contenan-t 180 g/l de H2S04 à 5 C. On a fait passer une densité de courant de 50 A/dm pendant 3 minutes et obtenu une couche d'oxyde d'épaisseur 65 ~m ne présentant aucune trace de brûlure. Différentes mesures ont alors été
effectuées sur le piston. On a no-té d'abord que la couche avait une dureté
comprise entre 200 et 300 HV. Ce piston a ensuite été soumis à des essais de fatigue thermique dont le cycle est indiqué ci-dessous :
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- passage de - 20 C ~ 350 C en 15 s.
- refroidissemer,t air, 15 ~.
- refroidis~emerlt ea~l, 15 s.
r3écha~c air, 15 s.
Les essais ont été conduits jusqu'à 6000 cycles. Après 1000 cycles, une légère porosité apparaissait. Mais ce n'est qu'après 5000 cycles que la couche commençait à se déliter. Des criques sont apparues à 6000 cycles, mais leur profondeur (0,5 mm) est moindre que dans un procédé
~; conventionnel.
'' Pour augmenter la dureté de la couche, des essais ont été repris dans les m8mes conditions et avec le même dispositif que précédemment, mais l'électrolyte avait la cornposltion r,uivante :
H2S4 180 g/l H C O ) 10 g/l '~ ' et sa température était de 0 C.
Après anodisation à la même densité de courant, on a obtenu en moins de ,.
~0 IL~ 38 5 min., une couche dont l'épaisseur est supérieure à 60 ~m. Sa résistance en fatigue thermique était comparable à celle obtenue dans l'exemple précédent. Mais la dureté était supérieure à 400 HV, valeur qui est jugée suffisante pour l'application considérée.
Claims
1. Dispositif de traitement par anodisation de pistons en alliage d'aluminium utilisés dans les moteurs à combustion interne caractérisé en ce que la surface latérale cylindrique dudit piston est reliée au pôle positif d'une source de courant continu par au moins deux pièces appliquées symétriquement sur ladite surface, qu'elle est équipée le long d'une directrice située à proximité de la tête d'un déflecteur en matériau isolant de l'électricité
dont le pourtour est recourbé vers le bas, dont la surface côté tête est placée en regard d'une électrode reliée au pôle négatif de la source de courant et percée d'au moins une ouverture permettant le passage d'un flux régulé
d'électrolyte d'anodisation dirigé vers la tête et dont la surface en regard de ladite électrode est munie d'un joint souple qui s'appuie sur la surface du piston.
dont le pourtour est recourbé vers le bas, dont la surface côté tête est placée en regard d'une électrode reliée au pôle négatif de la source de courant et percée d'au moins une ouverture permettant le passage d'un flux régulé
d'électrolyte d'anodisation dirigé vers la tête et dont la surface en regard de ladite électrode est munie d'un joint souple qui s'appuie sur la surface du piston.
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