EP1443200A1 - Procédé de fabrication d'un piston pour moteur à explosion, et piston ainsi obtenu - Google Patents

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EP1443200A1
EP1443200A1 EP03292996A EP03292996A EP1443200A1 EP 1443200 A1 EP1443200 A1 EP 1443200A1 EP 03292996 A EP03292996 A EP 03292996A EP 03292996 A EP03292996 A EP 03292996A EP 1443200 A1 EP1443200 A1 EP 1443200A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
traces
steel
temperature
internal combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03292996A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Robelet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ASCO INDUSTRIES
Original Assignee
Ascometal SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ascometal SA filed Critical Ascometal SA
Publication of EP1443200A1 publication Critical patent/EP1443200A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/18—Making machine elements pistons or plungers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/004—Thixotropic process, i.e. forging at semi-solid state
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making

Definitions

  • the invention relates to the field of internal combustion engine pistons, especially for motor vehicles, trucks, agricultural machinery, machinery public works, boats.
  • the pistons are made of a single piece of alloy cast or forged aluminum. But the increased solicitation conditions which we just mentioned make the classic pistons unsuitable. Consequently, we have imagined various solutions to make the aluminum pistons compatible with high performance motors: insertion of alumina fibers in the alloy to strengthen it, addition of steel inserts to reduce expansion, deposit of graphite on the skirt to reduce friction, or machining of cooling channels to circulate air or oil through them maintain the piston at acceptable operating temperatures. But all of these solutions are expensive.
  • steel was once used for make pistons but the use of steel to make pistons high efficiency motors is in fact not economically feasible at at first sight, due to the high density of this material.
  • very small wall thickness should be achieved after forging the piston. Such thickness is inaccessible by processes conventional forging if, for cost reasons, we want to continue making pistons in one piece.
  • the object of the invention is to make possible the manufacture, in economically advantageous conditions of pistons for internal combustion engines high performance, in particular by making it possible to use a steel for this purpose, or another dense alloy with high mechanical properties, instead of an alloy specially treated and / or shaped aluminum.
  • the invention relates to a process for manufacturing a piston for an internal combustion engine, said piston being formed of a metal part monobloc, characterized in that a piece of heating is carried out for bring it to an intermediate temperature between its solidus temperature and its liquidus temperature, and in that it is shaped by Thixoforging.
  • the invention also relates to an internal combustion engine piston, composed of a single piece of metal, characterized in that it has been manufactured by heating a piece to bring it to an intermediate temperature between its solidus temperature and its liquidus temperature, followed by setting form by thixoforgeage.
  • its legs are constituted by calipers formed on the bottom of the interior cavity of the piston, provided with an orifice for the passage of the axis securing the piston and the connecting rod, and it has on its skirt of the recesses giving access to the holes of the stirrups.
  • the shape of the piston bottom wall can match that of the surface of the piston bottom on its side intended to be turned towards the chamber combustion.
  • the piston may include reinforcing ribs.
  • the piston can be made of carbon steel.
  • It can also contain up to 0.180% of S and at least one of the elements chosen from up to 0.080% of Bi, up to 0.020% of Te, up to 0.040% Se, up to 0.070% Pb.
  • the piston can be made of hot tool steel.
  • the piston can be made of high speed steel.
  • the piston can be made of stainless steel.
  • the piston can be made of cast iron.
  • the piston can be made of an Fe-Ni based alloy.
  • the piston can be made of an alloy based on Ni-Co.
  • the invention is based on the use of shaping process called "thixoforgeage", known in itself but which had never been applied to the manufacture of pistons.
  • Thixoforgging is a process which consists in carrying out the form of a metal part by forging a piece after having brought it to a intermediate temperature between its solidus temperature and its temperature liquidus, so as to coexist within the plot of solid matter and intimately mixed liquid matter. This allows, compared to the processes conventional hot forging, to produce parts of complex geometry can have thin walls, and this with very low setting efforts in shape. Indeed, under the action of external forces, metals undergoing a thixoforgging operation behave like viscous fluids.
  • Thixoforging can be used for many kinds of alloys.
  • the resulting liquid tends to be expelled at the start of the forming operation, which results in an increase in efforts to apply (these being exerted on a metal more solid than expected) and the appearance faults within the room: segregation and internal health problems.
  • thixoforgging shaping operation is carried out on a primary globular structure obtained by suitable heating, a homogeneous product, which can deform at high speed.
  • the primary structure plot dendritic can be optimized to facilitate obtaining, when heating before thixoforgeage, of a homogeneous globular primary structure.
  • Heating the plot to reach the temperature of the thixoforgging is generally carried out by induction, to obtain a excellent temperature uniformity over the entire section of the plot and excellent reproducibility of the operation from one plot to another.
  • the elements functionally equivalent to those of piston 1 of the prior art are designated by the same references.
  • the weight gain provided by this configuration is feel not only on the piston itself, but on the entire crew mobile piston-piston-rod axis. As we have seen, the weight gain on the piston is 25g. Reducing the diameter of the piston pin from 28 to 20mm and its shortening from 80 to 50mm (the piston pin is in both cases a tube 6mm thick) saves 156g on this piece. The weight of the connecting rod can also be reduced by a few grams.
  • the geometry of the piston 12 which has just been described is only an example for implementing the invention, whether for the general appearance of the piston or for the precise dimensions of its different parts. So thixoforgeage offers the possibility of providing thin reinforcement ribs in different areas of the piston.
  • the other elements are iron and conventional impurities resulting development: P, Sn, N, As ...
  • the measured solidus temperature of this steel is 1360 ° C and the liquidus temperature measured is 1490 ° C.
  • Thixoforgging takes place preferably at 1429 ° C.
  • liquidus and solidus temperatures measured to which we have just alluded can differ significantly from liquidus and solidus temperatures calculated according to the composition of steel by the formulas conventionally available in the literature. In fact, these formulas are valid in the case where the steel sees its temperature drop by a few degrees per minute during solidification followed by cooling.
  • the solidus and liquidus temperatures must be measured under the conditions to which the plots will be subjected, namely reheating from the ambient temperature, carried out by induction at a speed of the order of several tens of degrees per minute. But this determination may be carried out by a person skilled in the art using standard tests not showing of particular difficulties.
  • thixoforging must, from preferably take place with a liquid fraction representing 10 to 40% of the steel. Below 10% there is a risk that the metal will not flow properly and solidifies too quickly on contact with tools. At more than 40%, there are risks of subsidence and flow of the metal during the heating operation: the piece becomes difficult to correctly transfer to the formatting tools.
  • the steels whose composition has just been exposed are steels of construction or heat treatment used in forging and mechanics. They are likely to be suitable for the manufacture of pistons usable in the majority of motor vehicles, trucks, public works machinery, agricultural machinery, boats, etc.
  • steels allowing hot work such as tool steels hot 38CrMoV5, 45CrMoV6, 55NiCrMoV7, conventional high speed steels or overburdened, and also cast iron or alloys based on iron-nickel or cobalt-nickel.
  • stainless steels for the case where the piston would be called upon to work in contact with fuels containing particularly corrosive additives, for example stainless steels martensitics Z40Cr13 to Z200Cr13.
  • the invention can be applied to a wide variety alloys, the main thing being that their mechanical and thermal characteristics lend themselves well to their use to form pistons, and that they have a good thixoforging ability.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un piston pour moteur à explosion, ledit piston étant formé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'on effectue un réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, et en ce qu'on effectue sa mise en forme par thixoforgeage. L'invention concerne aussi un piston (12) de moteur à explosion, composé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'il a été fabriqué par réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, suivi d'une mise en forme par thixoforgeage. <IMAGE>

Description

L'invention concerne le domaine des pistons de moteur à explosion, notamment pour véhicules automobiles, poids lourds, engins agricoles, engins de travaux publics, bateaux.
Dans les dernières années, on a développé des moteurs à explosion à hautes performances, présentant en particulier des puissances spécifiques élevées pour respecter les nouvelles et futures normes anti-pollution sur les émissions de CO2. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des moteurs diesel. Cette augmentation des puissances spécifiques entraíne un accroissement très sensible des sollicitations thermiques et mécaniques auxquelles sont soumises les pièces des moteurs, et en particulier les pistons. Ceux-ci, en conséquence, sont de conception de plus en plus complexe.
Habituellement, les pistons sont réalisés d'une seule pièce en alliage d'aluminium moulé ou forgé. Mais les conditions de sollicitation accrues dont on vient de parler rendent les pistons classiques inadaptés. En conséquence, on a imaginé diverses solutions pour rendre les pistons en aluminium compatibles avec les moteurs à hautes performances : insertion de fibres d'alumine dans l'alliage pour le renforcer, ajout d'inserts en acier pour diminuer la dilatation, dépôt de graphite sur la jupe pour diminuer les frottements, ou usinage de canaux de refroidissement pour y faire circuler de l'air ou de l'huile de manière à maintenir le piston à des températures de fonctionnement acceptables. Mais toutes ces solutions sont coûteuses.
Une solution envisageable pourrait être le remplacement de l'alliage d'aluminium par un acier qui, à géométrie comparable, présenterait une meilleure résistance aux sollicitations mécaniques et thermiques et à la fatigue et une meilleure tenue à la température. De fait, l'acier était autrefois utilisé pour fabriquer des pistons, mais l'utilisation de l'acier pour fabriquer des pistons de moteurs à haut rendement n'est, en fait, pas envisageable économiquement à première vue, du fait de la densité élevée de ce matériau. Si on voulait conférer au piston une masse suffisamment faible pour l'obtention des hautes performances du moteur, il faudrait parvenir à une épaisseur de paroi très réduite après forgeage du piston. Une telle épaisseur est inaccessible par les procédés de forgeage classiques si, pour des raisons de coût, on veut continuer à réaliser les pistons en une seule pièce.
Le but de l'invention est de rendre possible la fabrication, dans des conditions économiquement avantageuses, de pistons pour moteur à explosion à hautes performances, notamment en permettant d'utiliser à cet effet un acier, ou un autre alliage dense à propriétés mécaniques élevées, au lieu d'un alliage d'aluminium spécialement traité et/ou conformé.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un piston pour moteur à explosion, ledit piston étant formé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'on effectue un réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, et en ce qu'on effectue sa mise en forme par thixoforgeage.
L'invention a également pour objet un piston de moteur à explosion, composé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'il a été fabriqué par réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, suivi d'une mise en forme par thixoforgeage.
Dans un exemple de réalisation ses pattes sont constituées par des étriers ménagés sur le fond de la cavité intérieure du piston, munis d'un orifice pour le passage de l'axe solidarisant le piston et la bielle, et il présente sur sa jupe des évidements donnant accès aux orifices des étriers.
La forme de la paroi du fond de piston peut épouser celle de la surface du fond de piston sur son côté destiné à être tourné vers la chambre de combustion.
Le piston peut comporter des nervures de renforcement.
Le piston peut être réalisé en acier au carbone.
Sa composition peut alors être en pourcentages pondéraux :
  • 0,35% ≤ C ≤ 1,2%
  • 0,10% ≤ Mn ≤ 2,0%
  • 0,10% ≤ Si ≤ 1,0%
  • traces ≤ Cr ≤ 4,5%
  • traces ≤ Mo ≤ 2,0%
  • traces < Ni ≤ 4,5%
  • traces ≤ V ≤ 0,5%
  • traces ≤ Cu ≤ 3,5%
  • traces ≤ Al ≤ 0,060%
  • traces ≤ Ca ≤ 0,050%
  • traces ≤ B ≤ 100ppm
  • traces ≤ Ti ≤ 0,050%
  • traces ≤ Nb ≤ 0,050%
les autres éléments étant du fer et des impuretés classiques résultant de l'élaboration.
Il peut comporter également jusqu'à 0,180% de S et un au moins des éléments choisis parmi jusqu'à 0,080% de Bi, jusqu'à 0,020% de Te, jusqu'à 0,040% de Se, jusqu'à 0,070% de Pb.
Le piston peut être réalisé en acier d'outillage à chaud.
Le piston peut être réalisé en acier rapide.
Le piston peut être réalisé en acier inoxydable.
Le piston peut être réalisé en fonte.
Le piston peut être réalisé en alliage à base Fe-Ni.
Le piston peut être réalisé en alliage à base Ni-Co.
Comme on l'aura compris, l'invention repose sur l'utilisation du procédé de mise en forme appelé « thixoforgeage », connu en lui-même mais qui n'avait jamais été appliqué à la fabrication de pistons.
Le thixoforgeage est un procédé qui consiste à réaliser la mise en forme d'une pièce métallique par forgeage d'un lopin après l'avoir porté à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, de façon à faire coexister au sein du lopin de la matière solide et de la matière liquide intimement mêlées. Cela permet, par rapport aux procédés classiques de forgeage à chaud, de réaliser des pièces de géométrie complexe pouvant présenter des parois minces, et ce avec de très faibles efforts de mise en forme. En effet, sous l'action d'efforts externes, les métaux subissant une opération de thixoforgeage se comportent comme des fluides visqueux.
Le thixoforgeage est utilisable pour de nombreuses sortes d'alliages. Dans la suite de l'exposé de l'invention, on se concentrera sur le thixoforgeage des aciers au carbone, étant entendu que d'autres alliages peuvent se prêter à la fabrication de pistons par thixoforgeage.
La réussite d'une opération de thixoforgeage d'un acier dépend en premier lieu de la structure primaire obtenue à une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus lors du cycle de chauffage du lopin avant sa mise en forme par thixoforgeage. L'expérience montre qu'avant l'opération de mise en forme, le lopin doit présenter une structure primaire globulaire plutôt que dendritique. Dans ce dernier cas, au cours du chauffage, la ségrégation des divers éléments d'alliage entre les dendrites et les espaces inter-dendritiques entraíne une fusion préférentielle du métal dans les espaces interdendritiques enrichis en éléments d'alliage. Le liquide résultant tend à être expulsé au début de l'opération de formage, ce qui entraíne une augmentation des efforts à appliquer (ceux-ci s'exerçant sur un métal plus solide que prévu) et l'apparition de défauts au sein de la pièce : ségrégations et problèmes de santé interne. Lorsque l'opération de mise en forme par thixoforgeage est réalisée sur une structure primaire globulaire obtenue par un chauffage adapté, on obtient un produit homogène, pouvant se déformer à vitesse élevée. La structure primaire dendritique du lopin peut être optimisée pour faciliter l'obtention, lors du chauffage avant thixoforgeage, d'une structure primaire globulaire homogène. Cela peut être obtenu en jouant notamment sur l'intensité du brassage électromagnétique lors de la solidification du produit coulé en continu qui permet de fragmenter les dendrites, et sur l'intensité du refroidissement de ce produit qui conditionne la croissance des dendrites et la diffusion des éléments ségrégeants, tout cela pour une taille du produit donnée.
Si on opère sur un lopin issu d'une barre laminée provenant d'un bloom de coulée continue ou d'un lingot, cela facilite l'obtention d'une structure globulaire au cours du chauffage précédant le thixoforgeage, sans qu'il soit nécessaire de recourir à une opération séparée de globulisation de la structure primaire. En effet, les multiples réchauffages et les déformations importantes subies par l'acier ont alors conduit à une structure très imbriquée et diffuse où une structure primaire est pratiquement impossible à révéler.
Le chauffage du lopin visant à atteindre la température du thixoforgeage est effectué généralement par induction, pour obtenir une excellente homogénéité de la température sur l'ensemble de la section du lopin et une excellente reproductibilité de l'opération d'un lopin à l'autre.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes :
  • la figure 1 qui représente en perspective et en coupe longitudinale un exemple de piston de l'art antérieur, réalisé classiquement en alliage d'aluminium forgé ;
  • la figure 2 qui représente de la même façon un exemple de piston selon l'invention, pouvant se substituer au précédent, réalisé en acier au carbone thixoforgé.
Le piston 1 de l'art antérieur représenté en coupe et en perspective sur la figure 1, à titre de référence, est conçu pour être employé dans un moteur diesel de 1900 cm3 de cylindrée à injection directe haute pression. Il est fabriqué par forgeage d'un alliage d'aluminium AS12UNG renforcé par des fibres d'alumine. Son diamètre extérieur est de 80 mm. De manière classique, ses différentes portions sont constituées par :
  • une cavité intérieure 2, où on peut loger la bielle qui entraínera le piston 1 ;
  • une jupe 3 constituant la paroi latérale du piston 1, destinée à venir au contact de la chemise du cylindre, notamment par l'intermédiaire de segments (non représentés) disposés dans des logements 4, 5, 6 ménagés sur la périphérie de la jupe 3, au niveau du fond 7 du piston 1 ;
  • une surface 8 de fond de piston, constituant la partie du piston 1 faisant face à la chambre de combustion lorsque le piston 1 est placé dans le cylindre, et dont la conformation, représentée seulement à titre d'exemple, est classiquement conçue pour favoriser la combustion du carburant ;
  • une patte 9, comportant un orifice 10 à parois renforcées vers l'intérieur du piston 1, ménagé dans la jupe 3 pour permettre le passage à travers l'orifice 10 de l'axe destiné à solidariser le piston 1 et la bielle ; une patte similaire est disposée symétriquement à l'opposé de la patte 9 sur la moitié du piston 1 non représentée.
On peut remarquer que :
  • la jupe 3 présente une épaisseur relativement élevée, de 6mm ;
  • le fond de piston 7 est lui aussi épais, avec une distance maximale entre sa surface 8 et le fond 11 de la cavité intérieure 2 de 29mm,
  • la distance entre le segment coup de feu (celui qui est placé dans le logement 6 le plus proche de la surface 8) et la surface 8 du fond de piston 7 est de 11mm ;
  • la hauteur de compression, c'est à dire la distance entre le centre de l'orifice 10 de la patte 9 et la surface 8 du fond de piston 7, est de 51mm ;
  • le diamètre de l'orifice 10 de la patte 9 est de 28mm ;
  • la hauteur totale du piston 1 est de 68mm ;
  • le poids du piston 1 est de 525g après usinage.
Le piston 12 selon l'invention représenté sur la figure 2 est appelé à se substituer au piston 1 de l'art antérieur qui vient d'être décrit. Il est réalisé par thixoforgeage d'un acier au carbone de composition (en pourcentages pondéraux) : C = 0,962% ; Mn = 0,341% ; Si = 0,237% ; Cr = 1,500% ; Ni = 0,089% ; Mo = 0,017% ; Cu = 0,161% ; Al = 0,037% ; S = 0,010% ; P = 0,009% ; V = 0,004%; Ti = 0,002%; Sn = 0,002% ; N = 0,0041%. Les éléments fonctionnellement équivalents à ceux du piston 1 de l'art antérieur sont désignés par les mêmes références.
On remarque que, par rapport au piston 1 de l'art antérieur :
  • la jupe 3 est beaucoup plus mince : son épaisseur n'est que de 1,5mm ;
  • l'épaisseur du fond de piston 7 est très faible, de 3mm environ, et la forme de sa paroi épouse celle de sa surface 8 sur son côté destiné à être tourné vers la chambre de combustion ; le résultat est que la cavité intérieure 2 du piston 12 présente un grand volume, ce qui procure une grande économie de matière allégeant considérablement le piston 12 ;
  • la distance entre le segment coup de feu placé dans le logement 6 et la surface 8 du fond de piston 7 est de 5mm ;
  • la patte n'est plus intégrée à la jupe 3, mais est constituée par un étrier 13 triangulaire, ménagé au fond de la cavité 2 et perforé par l'orifice 10 ; un étrier similaire se trouve symétriquement à l'étrier 13 dans la moitié du piston 12 non représentée ; pour donner accès à l'étrier 13 et à l'orifice 10, la jupe 3 présente un large évidement 14, ce qui là encore permet d'alléger le piston 12, et aussi de réduire la surface de contact entre la jupe 3 et la chemise du cylindre, donc les frottements subis par le piston 12 en cours d'utilisation ;
  • la hauteur de compression est de 32mm seulement ;
  • le diamètre de l'orifice 10 de l'étrier 13 est de 20mm seulement, ce qui permet de réduire le diamètre de l'axe solidarisant le piston 12 et la bielle ;
  • la hauteur totale du piston 12 est de 75mm (mais on pourrait la ramener à une valeur identique à celle du piston 1 de l'art antérieur) ;
  • le poids du piston 12 est de 500g après usinage.
Cette géométrie complexe ne peut être obtenue sur une pièce monobloc en acier au carbone que grâce à l'utilisation du procédé de thixoforgeage. Lui seul donne accès, en particulier, à la faible épaisseur de la jupe 3 qui a été citée.
Il faut noter que le gain de poids procuré par cette configuration se fait sentir non seulement sur le piston lui-même, mais sur l'ensemble de l'équipage mobile piston-axe de piston-bielle. Comme on l'a vu, le gain de poids sur le piston est de 25g. La réduction de 28 à 20mm du diamètre de l'axe du piston et son raccourcissement de 80 à 50mm (l'axe du piston est dans les deux cas un tube de 6mm d'épaisseur) permet de gagner 156g sur cette pièce. Le poids de la bielle peut aussi être réduit de quelques grammes.
Les modifications dimensionnelles qui ont été signalées entre le piston 1 de l'art antérieur en alliage d'aluminium et le piston 12 selon l'invention en acier thixoforgé ayant la composition précitée sont rendues possibles par les meilleurs caractéristiques mécaniques et thermiques de l'acier, mises en évidence dans le tableau 1. Toutes les caractéristiques ont été mesurées à 350°C. Cette température est une température moyenne que le piston en fonctionnement atteint dans des cas extrêmes, mais qui peut être largement dépassée localement au voisinage de la chambre de combustion du cylindre.
caractéristiques comparées de l'alliage d'aluminium A512UNG renforcé et de l'acier de l'exemple précédent à 450°C
AS12UNG renforcé Acier
Densité 2,71 7,83
Module d'Young (MPa) 55000 190000
Coefficient de Poisson 0,3 0,27
Résistance à la rupture (MPa) 100 1 100
Résistance à la fatigue (MPa) 50 400
Coefficient de dilatation (10-6/K) 20 12
Coefficient de conductibilité thermique (W/m.K) 100 20
On voit que les meilleures caractéristiques mécaniques de l'acier autorisent l'utilisation d'une moindre quantité de matière pour obtenir une pièce de résistance aux sollicitations égale, ce qui permet de compenser la densité supérieure de l'acier et d'obtenir une pièce qui est même plus légère que son équivalente en aluminium.
Par ailleurs, les caractéristiques mécaniques de l'acier sont plus stables en température que celles de l'aluminium.
Du fait de la plus faible conductibilité thermique de l'acier, on peut se permettre, comme on l'a vu, de raccourcir sensiblement la distance entre le segment coup de feu et le fond 8 du piston. Les espacements entre les segments peuvent, de même, être réduits. Tout cela concourt à la diminution de la quantité de matière utilisée. D'autre part, la chaleur dégagée dans la chambre de combustion reste ainsi concentrée sur le fond du piston. La jupe 3 subit ainsi moins de variations de température, ce qui réduit les problèmes de dilatation, comme le fait aussi le plus faible coefficient de dilatation de l'acier par rapport à d'autres alliages métalliques tels que l'aluminium. La jupe 3 et la chemise du cylindre se dilatent à peu près de la même façon, ce qui permet de réduire les jeux de fonctionnement et d'évacuer plus rapidement la chaleur vers la chemise.
Pour la même raison, la chaleur de la chambre de combustion est moins évacuée par le piston en acier que par le piston en aluminium, ce qui augmente le rendement du moteur.
La réduction de la hauteur de compression permet de diminuer la hauteur des cylindres, donc améliore la compacité du moteur. Ceci est encore un facteur de diminution du poids du moteur.
S'il s'avérait que le fond 7 du piston atteignait des températures excessives, on peut prévoir son refroidissement par un jet d'huile dirigé dans la cavité 2. Cette solution est, de toute façon, moins complexe que ne l'est l'utilisation de canaux de refroidissement à l'intérieur du piston, qui est souvent nécessaire avec des pistons en aluminium.
La géométrie du piston 12 qui vient d'être décrite n'est qu'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, que ce soit pour l'apparence générale du piston ou pour les dimensions précises de ses différentes parties. Ainsi, le thixoforgeage offre la possibilité de ménager des nervures de renforcement de faible épaisseur dans différentes zones du piston.
Un exemple non limitatif d'acier pouvant être utilisé pour fabriquer un piston par thixoforgeage est constitué par la gamme générale suivante (en pourcentages pondéraux) :
  • 0,35% ≤ C ≤ 1,2%
  • 0,10% ≤ Mn ≤ 2,0%
  • 0,10% ≤ Si ≤ 1,0%
  • traces ≤ Cr ≤ 4,5%
  • traces ≤ Mo ≤ 2,0%
  • traces < Ni ≤ 4,5%
  • traces ≤ V ≤ 0,5%
  • traces ≤ Cu ≤ 3,5%
Les autres éléments sont du fer et des impuretés classiques résultant de l'élaboration : P, Sn, N, As...
Optionnellement, on peut ajouter :
  • des éléments de désoxydation : Al (jusqu'à 0,060%) et/ou Ca (jusqu'à 0,050%) ;
  • des éléments améliorant la trempabilité, tels que B (jusqu'à 100ppm) ;
  • des éléments améliorant l'usinabilité : S (jusqu'à 0,180%), Bi (jusqu'à 0,080%), Te (jusqu'à 0,020%), Se (jusqu'à 0,040%) , Pb (jusqu'à 0,070%) ;
  • des éléments bloquant le grossissement du grain tels que Ti (jusqu'à 0,050%) et Nb (jusqu'à 0,050%).
Deux exemples de tels aciers peuvent notamment être cités :
  • Exemple 1 : C = 0,377% ; Mn = 0,825% ; Si = 0,190% ; Cr = 0,167% ; Ni = 0,113% ; Cu = 0,143% ; Al = 0,022% ; S = 0,01% ; P = 0,007% ; Sn = 0,01 % ; N = 75ppm ; Ca = 6ppm.
La température de solidus mesurée de cet acier est de 1430°C et la température de liquidus mesurée est de 1538°C. Le thixoforgeage a lieu préférentiellement à 1480°C.
  • Exemple 2 (celui utilisé pour réaliser le piston de la figure 2) : C = 0,962% ; Mn = 0,341% ; Si = 0,237% ; Cr = 1,500% ; Ni = 0,089% ; Mo = 0,017% ; Cu = 0,161 % ; Al = 0,037% ; S = 0,01% ; P = 0,009% ; V = 0,004% ; Ti = 0,002% ; Sn = 0,002% ; N = 41ppm.
La température de solidus mesurée de cet acier est de 1315°C et la température de liquidus mesurée est de 1487°C. Le thixoforgeage a lieu préférentiellement à 1405°C.
  • Exemple 3 : C = 0,825% ; Mn = 0,649% ; Si = 0,213% ; Cr = 0,100% ; Ni = 0,062% ; Cu = 0,107% ; Al = 0,035% ; S =0,007% ; P = 0,007% ; N = 55ppm.
La température de solidus mesurée de cet acier est de 1360°C et la température de liquidus mesurée est de 1490°C.Le thixoforgeage a lieu préférentiellement à 1429°C.
Il faut remarquer que les températures de liquidus et solidus mesurées auxquelles on vient de faire allusion peuvent différer notablement des températures de liquidus et solidus calculées en fonction de la composition de l'acier par les formules classiquement disponibles dans la littérature. En fait, ces formules sont valables dans le cas où l'acier voit sa température baisser de quelques degrés par minute lors d'une solidification suivie d'un refroidissement. Pour la détermination de la température de thixoforgeage optimale, les températures de solidus et de liquidus doivent être mesurées dans les conditions réelles auxquelles seront soumis les lopins, à savoir un réchauffage à partir de la température ambiante, effectué par induction à une vitesse de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés par minute. Mais cette détermination peut être effectuée par l'homme du métier à l'aide d'essais classiques ne présentant pas de difficultés particulières.
Pour les matériaux que l'on vient de décrire, le thixoforgeage doit, de préférence, avoir lieu avec une fraction liquide représentant 10 à 40% de l'acier. En dessous de 10%, il y a un risque que le métal ne s'écoule pas correctement et se solidifie trop vite au contact des outils. A plus de 40%, il y a des risques d'affaissement et d'écoulement du métal lors de l'opération de chauffage : le lopin devient difficile à transférer correctement vers les outils de mise en forme.
Les aciers dont on vient d'exposer la composition sont des aciers de construction ou de traitement thermique utilisés dans la forge et la mécanique. Ils sont susceptibles de convenir à la fabrication de pistons utilisables dans la majorité des véhicules automobiles, poids lourds, engins de travaux publics, engins agricoles, bateaux, etc.
Pour des applications particulièrement exigeantes en termes, notamment, de températures atteintes en tête de piston, il est envisageable d'utiliser des aciers permettant le travail à chaud tels que des aciers d'outillage à chaud 38CrMoV5, 45CrMoV6, 55NiCrMoV7, les aciers rapides classiques ou surcarburés, et également des fontes ou des alliages à base fer-nickel ou cobalt-nickel. On peut également envisager l'utilisation d'aciers inoxydables, pour le cas où le piston serait appelés à travailler au contact de carburants renfermant des additifs particulièrement corrosifs, par exemple des aciers inoxydables martensitiques Z40Cr13 à Z200Cr13. Tous ces matériaux, ainsi que les aciers au carbone du type utilisable dans l'invention, ont pour caractéristique une teneur en carbone élevée (0,35% au moins), voire très élevée. C'est un élément très favorable à l'opération de thixoforgeage car il abaisse la température de solidus et élargit l'intervalle de solidification : on a ainsi plus aisément accès à l'intervalle optimal de fraction liquide dans le métal.
On voit que l'invention peut être appliquée à une grande variété d'alliages, l'essentiel étant que leurs caractéristiques mécaniques et thermiques se prêtent bien à leur utilisation pour former des pistons, et qu'ils présentent une bonne aptitude au thixoforgeage.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d'un piston pour moteur à explosion, ledit piston étant formé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'on effectue un réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, et en ce qu'on effectue sa mise en forme par thixoforgeage.
  2. Piston (12) de moteur à explosion, composé d'une pièce métallique monobloc, caractérisé en ce qu'il a été fabriqué par réchauffage d'un lopin pour l'amener à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, suivi d'une mise en forme par thixoforgeage.
  3. Piston (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ses pattes sont constituées par des étriers (13) ménagés sur le fond de la cavité intérieure (2) du piston (12), munis d'un orifice (10) pour le passage de l'axe solidarisant le piston (12) et la bielle, et en ce qu'il présente sur sa jupe (3) des évidements (14) donnant accès aux orifices (10) des étriers (13).
  4. Piston (12) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la forme de la paroi du fond de piston (7) épouse celle de la surface (8) du fond de piston (7) sur son côté destiné à être tourné vers la chambre de combustion.
  5. Piston selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des nervures de renforcement.
  6. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en acier au carbone.
  7. Piston (12) selon la revendication 6, caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux :
    0,35% ≤ C ≤ 1,2%
    0,10% ≤ Mn ≤ 2,0%
    0,10% ≤ Si ≤ 1,0%
    traces ≤ Cr ≤ 4,5%
    traces ≤ Mo ≤ 2,0%
    traces < Ni ≤ 4,5%
    traces ≤ V ≤ 0,5%
    traces ≤ Cu ≤ 3,5%
    traces ≤ Al ≤ 0,060%
    traces ≤ Ca ≤ 0,050%
    traces ≤ B ≤ 100ppm
    traces ≤ Ti ≤ 0,050%
    traces ≤ Nb ≤ 0,050%
    les autres éléments étant du fer et des impuretés classiques résultant de l'élaboration.
  8. Piston (12) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte également jusqu'à 0,180% de S et un au moins des éléments choisis parmi jusqu'à 0,080% de Bi, jusqu'à 0,020% de Te, jusqu'à 0,040% de Se, jusqu'à 0,070% de Pb.
  9. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en un acier d'outillage à chaud.
  10. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en acier rapide.
  11. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en acier inoxydable.
  12. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en fonte.
  13. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en alliage à base Fe-Ni.
  14. Piston (12) selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé en alliage à base Ni-Co.
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