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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
* (marque de commerce)
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exemple les alli~~ges AlFe r'!l?eCr:: obtenus pa.r rnét~allurgie des poudres,
puis corroyage, les alliage=., à hautes caractéristiques à chaud obtenus
par procédé de type OSI?REY, Les composites ,i matrice métallique résultant
d'imprégnation de préformes, par exemple par forgeage liquide - Squeeze
Casting ... ) placés ~~ l'éi:al: solide dans la culasse au moment de la
~~oulée se heurte ~~ la diffi~vul té de réussir à lier métallurgique ment 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'alumicie ou de :arbore de silicium ou de renforts
constitués de fibres longues). Mais ce type de technologie présente des
~~urcoûts de fabri~Jation élevé; par rapport aux techniques usuelles de
coulée par gravité et/ou sou:; basse pression, notamment en raison de la
nécessité d'effec tuer un vide partiel, puis d'imposer des surpressions de
X~lusieurs Pa qui c>bligent; à recouvrir les noyaux de sable d'une couche
protectrice, afin c3e ne pas les imprégner eux-mêmes de métal liquide.
La demanderesse a donc reeîherché et mis au point des techniques
d' élaboration permettant; de c~>uler différents alliages dans une culasse,
et notamment des alliages à haute tolérance aux dommages côté chambrf~ de
combustion et des alliages <~ I><~s prix de revient et forte résistance
m.=canique dans :Le reste de la p:Lf~Ce.
La présente invention vise un procédé de moulage de
culasses composites comportant plusieurs couches
successives i constituées d'au moins 2 alliages différents,
~~aractérisé en ce qu'il consiste à couler dans une cavité
d' un moule ( 1, 2 ) par un s~r:~tème d' al i.mentation (4 , 5 ) chaque
couche d'alliage i-1 où i _>_ 2 avec temps d'attente tA entre
j=in de coulée de la couchf: i.-1 et début de la couche i, de
rlanière à ce que la cou~h.e i-1 contienne entre 70 et 100%
de fraction solide dans sa partie in:~érieure et 10 à 40% de
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fraction solide dans sa partie supérieure qui constitue une
zone d'interface, lors de l'introduction de l'alliage i.
De préférence, la pièce selon l'invention est constituée de
couches successives, jointives et sensiblement
horizontales.
Pt~.m précisément, il est apparu qu'il faut que chaque couche i-7(i L :?
.___."ie les conditions suivantes au moment de la coulée de la couche
ultérieure i.
# Face infrieure de la couchei-1 50 100' de fraction solide
# Face suprieure de la couche: 0 80~ de fraction solide et
i-1 de
.
prfrence
race infrieure de la couchei-1 . 70 100/ de fraction solide
Face suprieure de la couchei-1 . 10 40/ de fraction solide
iyD l
rJ Y~l
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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 1a pratique, il s'agit de définir le temps d'attente, tA, entre la
fin de coulée de chaque couche (i-1) et le début de la couche i (i 1 2),
en fonction des conditions de refroidissement de la pièce moulée.
Pour des raisons évidentes de productivité, on cherche à ce que tA 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 placant 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.
'i
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'A1. Le principe du
calcul est donné en Annexe.
Les systèmes d'alimentation seront adaptés de sorte que la coulée de
chaque couche i (i à 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. I1 faut en effet obtenir une (des) interfaces)
sensiblement planes) et régulières) entre les couches, contrôlables)
par exémple par micrographie, macrographie ou microscopie à balayage sur
coupes) transversales) perpendiculaires) à l'inter:face.
6'% ~ ?! < Ej 4/
. i~~ ~~ ~~ ~ f~~9 ~ 1'~,l
n
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
(C02, Argon, Azote, etc) afin de minimiser la couche d'oxyde
naturellement formée à la surface du mëtal 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)
20. 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) zones) d'interface(s)
la(les) moins épaisses) possibles) constituées) 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 mëtal 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
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l'obtention de culasses.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants illustrés
par les fig. 1 â 7.
. La fig. 1 représente schématiquement une w.~e 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 reprësentée 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 reprësente une courbe d'analyse thermique de la
solidification d'un alliage eutectique A1-Si et la fig. 8 le diagramme
d'équilibre de l'alliage binaire correspondant (Al-Si).
EXEiNPLE 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.
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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 A1-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
l'AS7G 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.
* (marques de commerce)
ANNEXE
Mode de calcul des fractions solidifiées dans le cas d'alliages de type
X11-Si hypoeutectiques (cas général des alliages de fonderie pour
culasses).
A partir du diagramme d' équilibre de la figure 7, pour un alliage type
AlSi, de composition globale Co, on définit
T la tempërature de l'alliage
T1 température de début de solidification
T2 température de fin de solidification (ici en coïncidence avec la
température de palier eutectique)
C1 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 assïmile CM, composition moyenne, solidifiée avant la transformation
eutectique à
CM = Cl + C2
2
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
l'eutectique (T=T2)
fso = C3 - Co
C3 - CM
La fraction solidifiée, :fs, entre T1 et T2 peut être calculée soit par
cette même règle des leviers à chaque températurca, soit par la formule
suivânte, plus rapide, si on assimile le solidus et le liqu:idus de
~~~p~~;r
l'alliage à deux droites entre T1 et T2 (hypothèse tout â fait acceptable
dans le Cadre de l'utilisation de cette demande de brevet)
fs = (C3-Co) (T1-T) (T2 .i T 3 T1)
(C3-CM)(Tl-T)+(Co-Cl)(T-T2)
La fraction solidifiée au cours d'un palier de transformation isotherme,
notamment eutectique, peut être estimée â partir de l'analyse thermique
grâce à un thermocouple placé dans la couche considêrée, en supposant que
la fraction solidifiée varie linéairement dans 1e '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
solidifiëe Fs est égale à
Fs = fso + (1 - fso) (t - to) (to 3 t 3 tl)
(tl - to)
puisque l'alliage est 'totalement solide au temps t1.
