Organe de machine et procédé pour sa fabrication La présente invention a pour objet un organe de machine, comprenant deux parties en métaux diffé rents et liées l'une à l'autre.
Cet organe de machine est particulièrement utile lorsqu'il consiste en un tambour de frein ou en un cylindre ou un bloc de moteur à combustion interne.
La fabrication de tels organes, ainsi que d'autres dont le bon fonctionnement exige un écoulement suf fisant et régulier de la chaleur, a constitué un casse- tête pour les industriels pendant de nombreuses an nées. On s'est efforcé de couler des métaux, tels que l'aluminium, autour de pièces en fonte ou en acier insérées dans le moule de fonderie, en utilisant les techniques de coulée classiques telles, par exemple, que le moulage au sable et le moulage en coquille.
Bien que les organes obtenus par ces procédés con nus aient pu être acceptables dans une certaine me sure, on a relevé certains inconvénients évidents qui empêchaient d'exploiter toutes leurs possibilités. La fabrication d'organes bimétalliques suivant les pro cédés de la technique antérieure a souvent abouti à l'établissement d'une liaison mécanique faible entre les deux métaux.
L'écoulement de la chaleur dans les organes bi métalliques réalisés par les procédés classiques de fonderie est généralement suffisant aux températures normales, mais son efficacité s'abaisse avec les tem pératures plus élevées auxquelles on se heurte au cours du fonctionnement. Par exemple, dans le cas de l'aluminium et de la fonte grise. Les coefficients de dilatation thermique des deux métaux sont iné gaux, celui de l'aluminium étant approximativement le double de celui de la fonte, par conséquent aux températures de fonctionnement relativement élevées, l'aluminium tend à se dilater dans une bien plus grande mesure -que la fonte.
A mesure que le con tact entre les deux métaux devient moins intime, l'écoulement de la chaleur diminue et il peut arriver que l'aluminium se dilate suffisamment pour former des espaces vides au joint, ce qui crée des barrières thermiques susceptibles d'agir comme parois isolan tes à l'encontre de cet écoulement.
L'organe de machine faisant l'objet de l'inven tion est caractérisé en ce que la liaison est unique ment due à un accrochage mécanique entre les deux métaux le long d'une surface de contact inégale sur toute l'étendue de laquelle des saillies irrégulières de l'un des métaux, qui forme une chemise, pénètrent dans des interstices correspondants de l'autre métal.
L'invention comprend également un procédé de fabrication dudit organe. Ce procédé est caractérisé en ce qu'on forme une chemise en métal, présentant une surface rugueuse irrégulière, on introduit cette chemise dans une cavité de matrice d'une machine à couler sous pression, on introduit ensuite dans la cavité de matrice, à l'état fondu et sous haute pres sion, un second métal différent du premier, en refou lant ce métal dans les irrégularités de la surface de la chemise, et on refroidit le métal fondu de manière que le métal compris dans les interstices de la che mise se solidifie et accroche l'un à l'autre les deux métaux,
le point de fusion du métal de la chemise étant supérieur à celui du métal coulé.
Dans la suite de cet exposé, on désignera simple ment par moule les moules métalliques des ma chines à couler sous pression. La coulée sous pres sion peut être définie de façon générale comme la technique d'injection sous haute pression d'un métal fondu dans un moule fermé présentant la configura- tion désirée.
Les pressions généralement mises en #uvre peuvent aller d'environ 280 à 700 kg/cm2. Ce procédé doit être distingué des opérations de fonde rie classiques, telles que la coulée au sable ou la coulée en coquille, dans lesquelles la seule pression présente est celle due à l'effet hydrostatique du mé tal fondu dans les canaux de coulée du moule. La fonderie sous pression est largement employée pour la fabrication d'articles à partir de nombreux mé taux légers, tels que, par exemple, l'aluminium, le magnésium, le zinc et leurs alliages.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'organe de machine faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective et en coupe d'une première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue photographique agrandie d'une partie de la surface de la chemise de cette forme d'exécution.
La fig. 3 est une vue photographique agrandie d'une coupe de la même forme d'exécution, trans versale à la surface de contact des deux parties.
La fig. 4 est une vue en perspective et en coupe partielle d'une deuxième forme d'exécution.
La fig. 5 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 1 représente un tambour de frein. Ce tambour de frein est formé d'une première partie, coulée sous pression en un métal léger tel .que l'alu minium ou le magnésium et comprenant une jante 12, un voile 14 et un moyeu 16, et d'une seconde partie composée d'une chemise 20 en forme d'un cylindre creux en fonte grise.
La chemise 20 est réalisée par coulée centrifuge dans un moule cylindrique, préalablement enduit d'un revêtement de moulage dont la composition et le mode d'application peuvent ressortir de la techni que connue. Ce revêtement est d'une nature telle que sa face libre soit rugueuse en raison de pores, de cavités ou de protubérances s'élevant en direction du centre du moule. Ce revêtement est en outre d'une nature telle .qu'il ne soit pas balayé lorsque le mé tal fondu est introduit dans le moule, mais qu'au contraire il conserve sa surface rugueuse et donne une conformation correspondante à la surface exté rieure de la chemise.
Après le démoulage, on débarrasse la chemise de la couche de revêtement qui adhère, sans détério rer la surface extérieure rugueuse et recouverte de protubérances de la chemise. Cette élimination du revêtement peut être réalisée par le moyen d'un bain de sel électrolytique ou par un léger sablage. La fig. 2 représente une partie de la surface extérieure de la chemise avec un agrandissement d'environ 10 fois. Les protubérances et les interstices sont produits par les irrégularités de la surface du revêtement du moule.
Lorsque le métal est coulé, il est refoulé dans tous les vides et cavités de ce revêtement. Après soli dification, la surface extérieure de la chemise pré sente une conformation superficielle complémentaire de celle du revêtement. Il est préférable que les pro- tubérances présentent un peu la forme de champi gnons et que les cavités soient à contre-dépouille c'est-à-dire que les protubérances aient leur plus fai ble section à la base et qu'elles s'élargissent à mesure qu'elles s'élèvent à partir de celle-ci, tandis que les cavités qui les séparent sont conformées de façon inverse.
On a constaté que les protubérances et in terstices irréguliers assurent une augmentation de la surface de contact de quatre à cinq fois par rapport à celle obtenue avec une pièce usinée. Il n'a pas été relevé que la profondeur des interstices ou la hau teur des protubérances soient critiques ; toutefois d'excellents résultats ont été obtenus avec une hau teur ou profondeur de l'ordre de 1 à 1,5 mm. Le revêtement du moule est de préférence une compo sition réfractaire, qu'on applique à la surface du moule sous forme liquide, et qui est extrêmement poreuse à l'état sec, ce quia pour résultat que le métal destiné à constituer la chemise pénètre à l'état fondu dans les pores du revêtement.
L'on obtient ainsi la surface rugueuse voulue.
La chemise est coupée à la longueur désirée et de préférence chauffée avant d'être introduite dans le moule métallique de coulée sous pression. Il est avantageux de la chauffer à une température au moins égale à la température de fonctionnement de ce dernier, afin que le métal en fusion injecté dans celui-ci soit refoulé dans tous les interstices de la surface de la chemise avant de commencer à se soli difier.
La chemise est disposée sur le noyau du moule métallique puis celui-ci est refermé. On injecte alors un alliage d'aluminium fondu dans la cavité de mou lage. Comme le métal est injecté dans le moule sous une pression de 280 à 700 kg/cm2, il pénètre dans les plus fins interstices de la surface rugueuse de la chemise. Lorsque le métal coulé se solidifie, il de vient solidaire de la pièce ainsi insérée dans le moule, par l'intermédiaire de la multitude de protubérances et de cavités de forme irrégulière. Ces points d'ac crochage recouvrent toute la surface de joint des deux métaux.
La fig. 3 montre une photographie de la coupe de l'organe terminé, l'agrandissement étant de 10. La zone sombre correspond à la chemise en fonte grise, tandis que la partie plus claire est de l'alliage d'aluminium. On peut aisément voir sur cette photographie l'accrochage entre l'alliage d'aluminium coulé injecté sous pression et les interstices et pro tubérances de la surface de la chemise.
Cet accrochage purement mécanique entre la chemise en métal ferreux et l'alliage d'aluminium coulé est suffisant pour maintenir les deux métaux en contact intime en tous les points, sans qu'une liai- son supplémentaire chimique ou métallurgique soit nécessaire. Le présent procédé représente une grande économie de temps, de matière et de main-d'aeuvre par rapport aux procédés antérieurs d'obtention d'ar ticles similaires.
La rugosité superficielle de la chemise assure une surface de contact avec l'aluminium bien plus grande que si la chemise était lisse. Cette augmentation de la surface effective de la chemise assure un transfert de chaleur beaucoup plus efficace entre la surface de freinage et l'alliage d'aluminium ; il ne peut se former de barrière thermique puisque les deux mé taux sont solidarisés de façon telle qu'ils ne peuvent plus être séparés par des différences de dilatation thermique.
Ce type de liaison ne serait pas obtenu par mou lage au sable ou par moulage en coquille ordinaire, car le métal fondu ne pénétrerait pas dans les inters tices qui séparent les protubérances de la chemise, mais formerait au contraire pont par-dessus ceux-ci en les laissant remplis d'air, et cet air ferait fonction d'isolant.
Le procédé ci-dessus peut être utilisé pour réali ser d'autres organes de machine, à condition que le point de fusion dé la chemise soit plus élevé que celui du métal coulé sous pression de façon à éviter un ramollissement de la surface de la chemise qui se trouve au contact du métal fondu à l'instant où celui- ci est injecté dans le moule.
Il en est ainsi pour le cylindre chemisé 20a de moteur à combustion in terne, représenté en fig. 4, ou pour le bloc moteur 30, montré en fig. 5. Il est courant de réaliser le corps de ces cylindres ou blocs en un métal léger tel que l'aluminium ou le magnésium, possédant un coefficient de conductivité thermique élevé, et de les munir de chemises en métal ferreux pour assurer une résistance à l'usure suffisante à l'alésage du cy lindre.
Le cylindre 20a comporte un corps 22 en métal léger coulé sous pression autour d'une chemise 24, en métal ferreux. Le bloc moteur 30 de la fig. 5 comporte un cylindre 32 venu de fonderie avec le restant du bloc, qui est en métal léger. Une chemise 24 en métal ferreux présente l'alésage soumis à l'ac tion abrasive résultant du mouvement alternatif du piston et de ses segments (non représentés). La sur face extérieure de la chemise 24 possède une multi plicité de protubérances et de cavités irrégulières qui assurent sur la totalité de la face de joint la liaison intime entre cette chemise en métal ferreux et le métal coulé sous pression.
Bien qu'une chemise de cylindre de moteur à combustion interne ne soit pas soumise aux efforts de couple et de réaction de rotation qu'on rencontre dans un tambour de frein, les exigences de transfert de chaleur qu'on retrouve dans le cas du cylindre égalent ou dépassent celles d'un tambour de frein. Un transfert de chaleur régulier, tel que celui qui résulte de la liaison bimétallique obtenue par le présent procédé, est nécessaire pour empêcher l'ap parition à l'intérieur du cylindre de points chauds où le lubrifiant risque de brûler en permettant ainsi au piston de gripper.
Les exemples spécifiques ci-dessus utilisent une pièce insérée ou garniture de forme cylindrique ; tou tefois le présent procédé n'est en aucune manière limité à de telles applications. L'on peut réaliser par ce procédé des pièces coulées sous pression compor tant des éléments insérés ou garnitures de forme légèrement variable, liés au métal coulé. Le présent procédé peut être mis en aeuvre soit sur les machines à couler sous pression de type clas sique, soit sur celles qui utilisent les techniques du vide pour évacuer l'air de l'empreinte de moulage.
Divers essais ont été effectués pour comparer la qualité de la liaison ainsi obtenue suivant le présent procédé avec celle des liaisons réalisées par de nom breuses méthodes connues. Dans l'un de ces essais l'on a établi des tambours de frein bimétalliques comportant application de trois méthodes différentes de liaison, savoir: 1) une méthode chimique ou mé- tallurgique-bien connue dans laquelle on réalise au joint un alliage des deux métaux en présence ; 2) une méthode mécanique suivant laquelle une fraction du métal est coulée dans des rainures en forme de queue d'aronde qu'on a usinées sur l'extérieur de la che mise ;
et 3) la méthode de liaison bimétallique sui vant le présent procédé. Il y a lieu de noter que tous les tambours de frein essayés comprenaient une chemise en fonte grise et un corps en alliage d'aluminium. Des échantillons d'essais furent coupés de façon sem blable dans la périphérie de chacun d'eux.
Pour les essais à la traction l'échantillon a été serré dans un montage de manière telle que la charge soit appliquée perpendiculairement au plan moyen du joint. Dans le cas des essais au cisaillement, les échantillons ont été montés de façon que la charge soit appliquée à peu près parallèlement au joint.
On essaya différents échantillons prélevés sur chaque tambour et les résultats moyens obtenus furent les suivants, ces résultats correspondant à la charge né cessaire pour rompre la liaison
EMI0003.0035
<I>Essais <SEP> au <SEP> cisaillement</I>
<tb> Procédé <SEP> 1 <SEP> avec <SEP> liaison <SEP> chimique <SEP> <B>....</B> <SEP> 378 <SEP> kg/em2
<tb> Procédé <SEP> 2 <SEP> avec <SEP> rainures <SEP> en <SEP> queue
<tb> d'aronde <SEP> <B>......................</B> <SEP> 480 <SEP> kg/cm2
<tb> Procédé <SEP> 3 <SEP> liaison <SEP> bimétallique <SEP> obte nue <SEP> suivant <SEP> le <SEP> procédé <SEP> décrit <SEP> <B>......</B> <SEP> 667 <SEP> kg/ce
EMI0003.0036
<I>Essais <SEP> à <SEP> da <SEP> traction</I>
<tb> Procédé <SEP> 2 <SEP> <B>........</B> <SEP> 239 <SEP> kg/em2
<tb> Procédé <SEP>
3 <SEP> <B>........</B> <SEP> 454 <SEP> kg/cm2 En raison du manque de surface de serrage il fut impossible d'effectuer les essais de traction sur des échantillons découpés dans le tambour de frein établi suivant le procédé 1. La comparaison des résultats d'essais montre bien que la liaison bimétallique réa lisée par le procédé décrit est de loin supérieure à celle obtenue par les procédés actuellement connus.