EP0519054A1 - Methode d'obtention de culasses moulees composites - Google Patents

Methode d'obtention de culasses moulees composites

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EP0519054A1
EP0519054A1 EP92903814A EP92903814A EP0519054A1 EP 0519054 A1 EP0519054 A1 EP 0519054A1 EP 92903814 A EP92903814 A EP 92903814A EP 92903814 A EP92903814 A EP 92903814A EP 0519054 A1 EP0519054 A1 EP 0519054A1
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EP
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layer
alloys
alloy
casting
cylinder heads
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Eric Darsy
Philippe Meyer
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Montupet SA
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Montupet SA
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to the production of cylinder heads molded from aluminum alloys comprising at least two different alloys.
  • the liquid alloys can comprise solid particles with the casting of various size and shape so as to produce composites with metallic matrix after solidification.
  • This technique optimizes the choice of materials according to the main functions required in the different parts of the cylinder heads.
  • search in the vicinity of the combustion chamber, for a tolerance to maximum hot damage, in particular in the inter-seat areas of the valves.
  • the critical property is the mechanical strength, in order to give the cylinder head maximum rigidity and the best tightening capacity, with a minimum weight of the finished part.
  • the Applicant has therefore researched and developed production techniques allowing different alloys to be cast in a cylinder head, and in particular alloys with high tolerance to damage on the combustion chamber side and alloys with low cost price and high mechanical resistance in the rest of the room.
  • the part according to the invention consists of successive, contiguous and substantially horizontal layers.
  • each layer i-1 (i l 2) must satisfy the following conditions at the time of the casting of the subsequent layer i.
  • this involves defining the waiting time, t, between the end of casting of each layer (i-1) and the start of layer i (il 2), depending on the cooling conditions of the molded part.
  • the cooling of the molded part is generally ensured by a metal soleplate traversed by a heat transfer fluid such as water.
  • the solid fractions are determined beforehand experimentally by thermal analysis, for example by placing at least two thermocouples in each layer (i-1), one in the area close to the interface with the next layer, and the other near the base of the layer.
  • the solid fractions are determined from these thermal analyzes by the use of balance diagrams of the cast metal assimilated in general to a binary alloy based on Al. The principle of the calculation is given in the Appendix.
  • the feeding systems will be adapted so that the pouring of each layer i (il 2) does not create unacceptable erosion of the layer i-1 and that the layers are as uniform as possible. This adjustment is within the reach of those skilled in the art, for example, by optimizing feed channels or by using metallic or ceramic filters placed in the feed system, to regulate the flow rate. It is indeed necessary to obtain an interface (s) substantially flat and regular between the layers, controllable for example by micrography, macrography or scanning microscopy on cross section (s) perpendicular to the interface.
  • the feeding systems can be asymmetrical, but they are preferably made symmetrical to facilitate obtaining layers of uniform thickness.
  • a layer of material intended for heat resistance is typically formed, having a thickness of 15 to 25 mm on the combustion chamber side, the remainder consisting of the second alloy.
  • the process for obtaining a bi (or multi) metallic cylinder head is therefore carried out by successively pouring into the cavity of a mold, either metallic, either sand, or mixed, two (or more) alloys of separate aluminum with an interface zone (s) the thinnest possible (s) made up of a mixture of cast alloys and without trace of skins oxides.
  • the alloys are introduced into the mold cavity by independent feed systems.
  • the level of each layer is obtained by measuring its quantity, for example by volume.
  • the production of a multi-alloy cylinder head can be done by gravity casting technique, under low pressure, by liquid forging (squeeze casting) or any other industrial foundry technique suitable for obtaining cylinder heads.
  • FIGS. 1 to 7. Fig. 1 schematically represents a view of the molded part obtained and the direction of the thermal gradient applied (arrow).
  • Fig. 2 shows in transverse layer a schematic view of a mold usable for the implementation of the invention. .
  • Fig. 3 shows another version of said mold, which makes it possible to obtain the molded part shown in perspective in FIG. 4.
  • fig. 5 represents a transverse macrographic section of the connection zone between the two alloys of the cylinder head obtained under the conditions reported in Example 1 at magnification x 25.
  • fig. 6 shows a cross-sectional macrographic section of the connection zone between the 2 alloys of the cylinder head obtained in accordance with the conditions of Example 2 at magnification x 50.
  • fig. 7 shows a thermal analysis curve of the solidification of an Al-Si eutectic alloy and FIG. 8 the equilibrium diagram of the corresponding binary alloy (Al-Si).
  • the mold is composed of a metallic sole (1) in cuprochrome (approximate composition Cu 60%, Cr 40%) of thickness 100 mm and clods in sand (2).
  • This sole has a cooling circuit (3) in which the water circulates so as to maintain its temperature between 80 and 100 ° C.
  • the mold is provided with two supply systems (4) and (5), vents, cores of the water and oil circulation circuits, intake and exhaust pipes, and usual weights (not shown).
  • the coring process is the PEPSET process for clods (2), the cores of the oil circulation circuits and the intake and exhaust pipes, and ASHLAND for the cores of the water circulation circuits.
  • the first metal is poured, from AS7G0.3 (according to French standard NF A 57702) at the temperature of 710 ° C (target temperature) over a height of 20 mm corresponding to the thickness of the cylinder head table (volumetric dosage).
  • the supply system (5) is calculated so that the supply of AS7G0.3 lasts for approximately 15 s with a speed or flow rate of approximately 6.5 l / min at attacks (6).
  • the second alloy an AS5U3G (standard 57702) at the temperature of 720 ° C. is introduced through the feed system (5) at the speed or flow rate of 30 1 / min at attacks so that the horizontal component of the speed of this alloy is approx. 0.5 m / s to fill the rest of the mold without eroding the first metal.
  • Duralcan F3A consisting of AS7G0.3 + 15% of SiC particles, is used as the first alloy and is poured under the same conditions as 1 ⁇ S7G of Example No. 1.
  • the SiC particles do not modify the thermal analysis of the alloy, the method of calculating the solidified fractions for normal aluminum alloys is applicable.
  • the solidified fraction, fs, between Tl and T2 can be calculated either by this same rule of levers at each temperature, or by the following formula, faster, if we assimilate the solidus and the liquidus of the alloy with two straight lines between T1 and T2 (hypothesis entirely acceptable in the context of the use of this patent application):
  • the solidified fraction during an isothermal, notably eutectic, transformation stage can be estimated from thermal analysis using a thermocouple placed in the layer considered, assuming that the solidified fraction varies linearly over time during isothermal transformation.

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Abstract

L'invention concerne la réalisation de culasses moulées en alliages d'aluminium comportant au moins deux alliages différents. Les alliages liquides peuvent comporter des particules solides à la coulée de taille et de forme variées de façon à réaliser des composites à matrice métallique après solidification. Ce procédé de moulage de culasses composites comportant plusieurs couches successives (i) constituées d'au moins deux alliages différents est caractérisé en ce qu'il consiste à couler dans la cavité d'un moule (1, 2) par un système d'alimentation (4, 5), chaque couche d'alliage (i-1) (i 2) avec temps d'attente (tA) entre fin de coulée de la couche (i-1) et début de la couche i, de manière à ce que la couche (i-1) contienne entre 50 et 100 % (et de préférence 70 à 100 %) de fraction solide dans sa partie inférieure et 0 à 80 % (et de préférence 0 à 40 %) de fraction solide dans la partie supérieure (zone d'interface) lors de l'introduction de l'alliage i.

Description

METHODE D'OBTENTION DE CULASSES MOULEES COMPOSITES
L'invention concerne la réalisation de culasses moulées en alliages d'aluminium comportant au moins deux alliages différents. Les alliages liquides peuvent comporter des particules solides à la coulée de taille et de forme variées de façon à réaliser des composites à matrice métallique après solidification.
Cette technique permet d'optimiser le choix des matériaux selon les fonctions principales requises dans les différentes parties des culasses. A titre d'illustration, on peut citer la recherche, au voisinage de la chambre de combustion, d'une tolérance aux dommages à chaud maximale, notamment dans les zones intersièges des soupapes. Par contre, dans la partie froide de la culasse, notamment les piliers de fixation, la propriété critique est la résistance mécanique, afin de conférer à la culasse une rigidité maximale et la meilleure aptitude au serrage, avec un poids minimal de la pièce finie.
Or actuellement, il n'existe pas de technique de fabrication permettant de résoudre de façon satisfaisante et économiquement viable le problème énoncé ci-dessus.
En effet, il est certes possible de rechercher des matériaux présentant à la fois une forte résistance mécanique et une bonne tenue à chaud. Cependant, l'expérience montre que ce type de matériaux est coûteux. Par exemple, des composites à matrice métallique renforcés de particules de carbure de silicium de type DURALCAN coûtent, d'après les estimations des producteurs, de 2 à 3 fois plus cher que les alliages conventionnels de moulage, ce qui exclut leur utilisation pour la totalité de la culasse.
De façon générale, il est nécessaire de limiter l'emploi de matériaux à hautes caractéristiques à une application locale, dans les zones où ils sont indispensables, ceci en raison de leur coût.
Par ailleurs, il n'existe pas, à notre connaissance, de technique permettant d'insérer de tels matériaux dans une culasse. L'insertion d'alliages d'aluminium ou de composites à matrices métalliques (par exemple les alliages AlFe AlFeCe obtenus par métallurgie des poudres, puis corroyage, les alliages à hautes caractéristiques à chaud obtenus par procédé de type OSPREY, les composites à matrice métallique résultant d'imprégnation de préformes, par exemple par forgeage liquide - Squeeze Casting -...) placés à l'état solide dans la culasse au moment de la coulée se heurte à la difficulté de réussir à lier métallurgiquement le matériau de la culasse et celui du(ou des) insert(s).
Enfin, une autre voie actuellement développée pour renforcer localement le matériau d'une culasse consiste en l'imprégnation à la coulée de préformes (notamment d'alumine ou de carbure de silicium ou de renforts constitués de fibres longues). Mais ce type de technologie présente des surcoûts de fabrication élevés par rapport aux techniques usuelles de coulée par gravité et/ou sous basse pression, notamment en raison de la nécessité d'effectuer un vide partiel, puis d'imposer des surpressions de plusieurs Pa qui obligent à recouvrir les noyaux de sable d'une couche protectrice, afin de ne pas les imprégner eux-mêmes de métal liquide.
La demanderesse a donc recherché et mis au point des techniques d'élaboration permettant de couler différents alliages dans une culasse, et notamment des alliages à haute tolérance aux dommages côté chambre de combustion et des alliages à bas prix de revient et forte résistance mécanique dans le reste de la pièce.
La pièce selon l'invention est constituée de couches successives, jointives et sensiblement horizontales.
Plus précisément, il est apparu qu'il faut que chaque couche i-1 (i l 2) vérifie les conditions suivantes au moment de la coulée de la couche ultérieure i.
* Face inférieure de la couche i—1 : 50 à 100% de fraction solide
* Face supérieure de la couche i-1 : 0 à 80% de fraction solide et de préférence : Face inférieure de la couche i-1 : 70 à 100% de fraction solide
Face supérieure de la couche i-1 : 10 à 40% de fraction solide Ces conditions peuvent s'obtenir par ajustement du mode de refroidissement du métal coulé, visant une extraction calorifique maximale par la base de chaque couche et en attendant le temps nécessaire à l'établissement des conditions ci-dessus.
Dans la pratique, il s'agit de définir le temps d'attente, t , entre la fin de coulée de chaque couche (i-1) et le début de la couche i (i l 2), en fonction des conditions de refroidissement de la pièce moulée.
Pour des raisons évidentes de productivité, on cherche à ce que t soit aussi faible que possible dimensionnant en conséquence le système de refroidissement de la couche i-1. Le refroidissement de la pièce moulée est généralement assuré par une semelle métallique parcourue par un fluide caloporteur tel que l'eau.
Les fractions solides sont déterminées préalablement de façon expérimentale par analyse thermique, par exemple en plaçant au moins deux thermocouples dans chaque couche (i-1), l'un dans la zone proche de l'interface avec la couche suivante, et l'autre au voisinage de la base de la couche.
Les fractions solides sont déterminées à partir de ces analyses thermiques par l'utilisation de diagrammes d'équilibre du métal coulé assimilé en général à un alliage binaire à base d'Al. Le principe du calcul est donné en Annexe.
Les systèmes d'alimentation seront adaptés de sorte que la coulée de chaque couche i ( i l 2) ne crée pas d'érosion inacceptable de la couche i-1 et que les couches soient aussi uniformes que possible. Cet ajustement est à la portée de l'homme du métier par exemple, grâce à l'optimisation de chenaux d'alimentation ou par l'utilisation de filtres métalliques ou céramiques placés dans le système d'alimentation, pour en réguler le débit. Il faut en effet obtenir une (des) interface(s) sensiblement plane(s) et régulière(s) entre les couches, contrôlable(s) par exemple par micrographie, macrographie ou microscopie à balayage sur coupe(s) transversale(s) perpendiculaire(s) à l'interface. Les systèmes d'alimentation peuvent être dissymétriques, mais on les réalisera de préférence symétriques pour faciliter l'obtention de couches d'épaisseurs uniformes.
Enfin, il est possible d'inerter la cavité du moule par un gaz inerte (CO , Argon, Azote, etc) afin de minimiser la couche d'oxyde naturellement formée à la surface du métal liquide en cours de coulée, et donc de favoriser la liaison métallurgique entre les couches.
En remplissant le moule dans ces conditions, on obtient des culasses présentant des couches successives d'alliages différents avec une liaison métallurgique de bonne qualité sans défauts d'oxydes (voir fig. 5 et 6), conformément au cahier des charges des constructeurs automobiles.
Dans le cas de culasses bi-alliages, on forme une couche de matériau destiné à la tenue à chaud ayant typiquement une épaisseur de 15 à 25 mm côté chambre de combustion, le reste étant constitué du second alliage.
Selon l'invention, le procédé d'obtention d'une culasse bi (ou multi) métallique s'effectue donc en coulant successivement dans la cavité d'un moule soit métallique, soit en sable, soit mixte, deux (ou plusieurs) alliages d'aluminium distincts avec une (des) zone(s) d'interface(s) la(les) moins épaisse(s) possible(s) constituée(s) d'un mélange des alliages coulés et sans trace de peaux d'oxydes.
Pour ce faire, les alliages sont introduits dans la cavité du moule par des systèmes d'alimentation indépendants. Le niveau de chaque couche est obtenu en dosant sa quantité, par exemple en volume.
Afin d'éviter une zone de mélange trop importante en deux couches d'alliages différents et successifs, il convient de laisser refroidir l'alliage de la couche i-1 (i l 2) afin qu'il soit pâteux au moment de l'arrivée du métal liquide destiné à former la couche i.
La réalisation de culasse multi-alliages peut se faire par technique de coulée par gravité, sous basse pression, par forgeage liquide (squeeze casting) ou tout autre technique industrielle de fonderie adaptée à l'obtention de culasses.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants illustrés par les fig. 1 à 7. . La fig. 1 représente schématiquement une vue de la pièce moulée obtenue et le sens du gradient thermique appliqué (flèche) . La fig. 2 représente en couche transversale une vue schématique d'un moule utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention. . La fig. 3 représente une autre version dudit moule, qui permet d'obtenir la pièce moulée représentée en perspective à la fig. 4.
. la fig. 5 représente une coupe macrographique transversale de la zone de liaison entre les deux alliages de la culasse obtenue dans les conditions rapportées à l'exemple 1 au grandissement x 25. . la fig. 6 représente une coupe macrographique transversale de la zone de liaison entre les 2 alliages de la culasse obtenue conformément aux conditions de l'exemple 2 au grandissement x 50. . la fig. 7 représente une courbe d'analyse thermique de la solidification d'un alliage eutectique Al-Si et la fig. 8 le diagramme d'équilibre de l'alliage binaire correspondant (Al-Si) .
EXEMPLE 1 - Culasse bi-alliage : AS7G - AS5U3G (fig. 2)
Le moule est composé d'une semelle métallique (1) en cuprochrome (composition approximative Cu 60%, Cr 40%) d'épaisseur 100 mm et de mottes en sable (2) . Cette semelle comporte un circuit de refroidissement (3) dans lequel circule l'eau de manière à maintenir sa température entre 80 et 100°C.
Le moule est muni de deux systèmes d'alimentation (4) et (5), d'évents, de noyaux des circuits de circulation d'eau et d'huile, de pipes d'admission et d'échappement, et de masselottes habituelles (non représentés) .
Le procédé de noyautage est le procédé PEPSET pour les mottes (2) , les noyaux des circuits de circulation d'huile et les pipes d'admission et d'échappement, et ASHLAND pour les noyaux des circuits de circulation d'eau. Par l'alimentation (4), on coule le premier métal, de l'AS7G0,3 (selon la norme française NF A 57702) à la température de 710°C (température visée) sur une hauteur de 20 mm correspondant à l'épaisseur de la table de la culasse (dosage volumétrique) . Le système d'alimentation (5) est calculé de façon à ce que l'amenée d'AS7G0,3 dure environ 15 s avec une vitesse ou débit d'environ 6,5 1/mn aux attaques (6). Dès la fin de la coulée du premier alliage, on introduit par le système d'alimentation (5) le deuxième alliage, un AS5U3G (norme 57702) à la température de 720°C à la vitesse ou débit de 30 1/mn aux attaques de manière à ce que la composante horizontale de la vitesse de cet alliage soit env. 0,5 m/s afin de remplir le reste du moule sans éroder le premier métal.
Le calcul des fractions solides dans le premier alliage (AS7G03) au moment de l'arrivée du deuxième métal à l'aide de l'enregistrement de la température du premier alliage, du diagramme Al-Si et de l'application de la règle des leviers en appliquant la méthode donnée en Annexe conduit aux résultats suivants :
- partie inférieure 10 (au contact de la semelle) : 82 %. - partie supérieure 11 (dans la zone de l'interface) : 18%.
EXEMPLE 2 - Culasse bi-alliage - duralcan F3A - AS5U3G
Le Duralcan F3A, constitué de AS7G0,3 + 15% de particules de SiC, est utilisé comme premier alliage et est coulé dans les mêmes conditions que 1ΑS7G de l'exemple n° 1. Les particules de SiC ne modifiant pas l'analyse thermique de l'alliage, la méthode de calcul des fractions solidifiées pour les alliages d'aluminium normaux est applicable.
Néanmoins, la température de coulée du Duralcan est augmentée de 20°C de manière à obtenir la même fluidité que celle de l'alliage de base non chargé, et donc les mêmes vitesses de remplissage. ANNEXE
Mode de calcul des fractions solidifiées dans le cas d'alliages de type Al-Si hypoeutectiques (cas général des alliages de fonderie pour culasses) .
A partir du diagramme d'équilibre de la figure 7, pour un alliage type AISi, de composition globale Co, on définit :
T la température de l'alliage Tl température de début de solidification T2 température de fin de solidification (ici en coïncidence avec la température de palier eutectique) Cl concentration en élément d'addition du métal solidifié en premier C2 concentration en élément d'addition du métal solidifié en dernier, avant transformation du liquide eutectique.
On assimile CM, composition moyenne, solidifiée avant la transformation eutectique à : CM = Cl + C2
C3 concentration eutectique
On applique alors la règle habituelle des leviers pour déterminer la fraction solidifiée à chaque stade de la solidification précédant la transformation isotherme (ou eutectique).
Soit fso la fraction solidifiée obtenue juste avant la solidification de 1'eutectique (T=T2) :
fso = C3 - Co C3 - CM
La fraction solidifiée, fs, entre Tl et T2 peut être calculée soit par cette même règle des leviers à chaque température, soit par la formule suivante, plus rapide, si on assimile le soliduε et le liquidus de l'alliage à deux droites entre Tl et T2 (hypothèse tout à fait acceptable dans le cadre de l'utilisation de cette demande de brevet) :
fs = (C3-Co)(Tl-T) (T2 S T i Tl) (C3-CM)(Tl-T)+(Co-Cl)(T-T2)
La fraction solidifiée au cours d'un palier de transformation isotherme, notamment eutectique, peut être estimée à partir de l'analyse thermique grâce à un thermocouple placé dans la couche considérée, en supposant que la fraction solidifiée varie linéairement dans le temps au cours de la transformation isotherme.
Dans le cas d'une transformation de type binaire (figure n° 6), on peut donc écrire avec une très bonne approximation, que la fraction totale solidifiée Fs est égale à :
Fs = fso + (1 - fso) (t - to) (to S t S tl)
(tl - to)
puisque l'alliage est totalement solide au temps tl.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de moulage de culasses composites comportant plusieurs couches successives (i) constituées d'au moins 2 alliages différents caractérisé en ce qu'il consiste à couler dans la cavité d'un moule (1,2) par un système d'alimentation (4,5) chaque couche d'alliage (i-1) (i l 2) avec temps d'attente (tA) entre fin de coulée de la couche (i-1) et début de la couche i, de manière à ce que la couche (i-1) contienne entre 50 et 100% de fraction solide dans sa partie inférieure et 0 à 80% de fraction solide dans la partie supérieure (zone d'interface) lors de l'introduction de l'alliage i.
2. Procédé selon revendication 1 caractérisé en ce que la (les) fraction(s) solidifiée(s) dans la(les) partie(s) supérieure(s) de la (les) couche(s) (i-1) (i l 2) soit (soient) de préférence comprise(s) entre 10 et 40%.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la (les) fraction(s) solidifiée(s) dans la(les) partie(s) inférieure(s) de la (les) couche(s) (i-1) (i i. 2) soit (soient) de préférence comprise entre 70 et 100%.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le moule comporte une semelle métallique (1) refroidie à l'aide d'un fluide caloporteur.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le moule est protégé par une atmosphère inerte (C0 , Ar, N , etc), pendant la coulée.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les alliages utilisés sont des alliages à base d'Al.
7. Procédé selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les alliages coulés peuvent être chargés de fibres ou de particules céramiques (SiC, A1203, etc).
8. Procédé selon les revendication 1 à 7 caractérisé en ce que le moule en dehors de la semelle (1) est soit en sable, soit métallique ou mixte.
9. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 à 1'obtention de culasses en Al ou un de ses alliages, coulés par les procédés:
— basse pression
— gravité + basse pression
— gravité.
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