FR2551499A1 - PROCESS FOR PRODUCING SOFT STEEL SHAPES FOR CYLINDERS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA FABRICATION DES CHEMISES POUR CYLINDRES. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE SELON LEQUEL UNE CHEMISE EST REALISEE A LA FORME FINALE EN ACIER DOUX, PAR EXEMPLE PAR EMBOUTISSAGE, EXTRUSION, ETC. LA CHEMISE EST ALORS PLACEE DANS UNE CHAMBRE DONT L'AIR EST EVACUE ET QUI RECOIT UN MELANGE DE NITROCARBURATION CONTENANT UN GAZ AZOTE ET UN GAZ HYDROCARBONE. LE TRAITEMENT, REALISE ENTRE 500 ET 650C, FORME UNE COUCHE DURE EN SURFACE QUI NE NECESSITE AUCUNE AUTRE FINITION. LA CHEMISE PEUT ETRE EMMANCHEE A FORCE DANS UN BLOC-MOTEUR, ET ELLE RESISTE TRES BIEN A L'USURE PAR LES SEGMENTS DES PISTONS. APPLICATION A LA FABRICATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE.THE INVENTION RELATES TO THE MANUFACTURE OF SHIRTS FOR CYLINDERS. IT RELATES TO A PROCESS BY WHICH A SHIRT IS MADE TO THE FINAL SHAPE OF SOFT STEEL, FOR EXAMPLE BY STAMPING, EXTRUSION, ETC. THE SHIRT IS THEN PLACED IN A ROOM WHICH THE AIR IS EXHAUSTED AND WHICH RECEIVES A NITROCARBURATION MIXTURE CONTAINING NITROGEN GAS AND HYDROCARBON GAS. THE TREATMENT, CARRIED OUT BETWEEN 500 AND 650C, FORM A HARD COAT ON THE SURFACE WHICH NEEDS NO OTHER FINISH. THE SHIRT CAN BE FORCED INTO AN ENGINE BLOCK, AND IT IS VERY RESISTANT TO WEAR BY THE PISTON RINGS. APPLICATION TO THE MANUFACTURE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES.

Description

La présente invention concerne la fabrication des chemises pour cylindresThe present invention relates to the manufacture of cylinder liners

des moteurs à combustion interne, du type qui comprend le traitement d'une surface interne de la chemise formée d'acier doux, cette surface 5 étant destinée à être au contact du piston, afin qu'elle  internal combustion engines, of the type which comprises the treatment of an inner surface of the liner made of mild steel, this surface 5 being intended to be in contact with the piston, so that it

résiste à l'usure due au piston et aux segments associés.  Resists wear due to piston and associated segments.

Dans de nombreux moteurs à combustion interne, chaque piston se déplace en translation dans un cylindre formé par une chemise sèche de forme générale cylindrique, 10 en général emmanchée à force, fixée par rétreint ou introduite d'une autre manière dans le bloc-moteur La surface interne (ou "alésage") de la chemise du cylindre est au contact du piston associé et est donc soumise à une usure et un grippage En outre, les chemises sèches peuvent 15 subir un frettage contre le bloc-moteur associé si bien qu'une chemise sèche satisfaisante doit pouvoir résister à cette usure et en même temps doit pouvoir être emmanchée à force ou glissée facilement dans le bloc-moteur associé  In many internal combustion engines, each piston moves in translation in a cylinder formed by a dry jacket of generally cylindrical shape, generally force-fitted, fixed by necking or introduced in another way into the engine block. The inner surface (or "bore") of the cylinder liner is in contact with the associated piston and is therefore subject to wear and seizure. In addition, the dry jackets may shrink against the associated engine block. a satisfactory dry jacket must be able to resist this wear and at the same time must be force-fitted or easily slid into the associated engine block

puis démontée de ce bloc aussi facilement.  then disassembled from this block as easily.

Un matériau couramment utilisé pour ces chemises est un acier doux à faible teneur en carbone, mais il n'a pas les caractéristiques d'usure satisfaisantes Pour cette raison, on a utilisé diverses techniques destinées à améliorer les caractéristiques d'usure L'une de ces 25 techniques est l'utilisation d'un matériau plus dur et  A material commonly used for these shirts is a low carbon mild steel, but it does not have satisfactory wear characteristics. For this reason, various techniques have been used to improve the wear characteristics. these 25 techniques is the use of a harder material and

plus résistant à l'usure que l'acier doux Par exemple, des fontes ou des aciers à teneur élevée en nickel, en chrome et en molybdène peuvent être utilisés, surtout lorsqu'ils sont trempés ou revenus Cependant, bien qu'ils 30 résistent très bien à l'usure, ils présentent l'inconvéniet de posséder une ductilité bien inférieure à celle des aciers doux si bien que leur usinage à la configuration terminée nécessaire est difficile d'une manière correspondante En outre, une chemise terminée pour cylin35 dre formée d'un tel matériau peut être fragile et peut donc provoquer des fractures lorsque la chemise est emmanchée à force dans un bloc-cylindre.  more resistant to wear than mild steel For example, cast iron or steel with a high nickel, chromium and molybdenum content may be used, especially when tempered or tempered. very good at wear, they have the disadvantage of having a ductility much lower than that of mild steels so that their machining to the required complete configuration is difficult in a corresponding manner In addition, a completed folder for cylin35 dre formed Such a material may be brittle and may therefore cause fractures when the liner is force-fitted into a cylinder block.

Une seconde technique est la réalisation d'une couche superficielle dure sur une chemise de cylindre formée d'acier doux ou de fonte Une telle couche est un revêtement dur de chrome formé sur l'alésage de la 5 chemise Le revêtement de chrome présente cependant des inconvénients car il s'agit d'une opération coûteuse qui augmente ainsi le coût des chemises, et le dépôt ne retient pas facilement l'huile et peut donc être facilement soumis au grippage en cours d'utilisation En 10 outre, un revêtement de chrome peut se ramollir aux températures supérieures a 300 C si bien que sa résistance à l'usure diminue et nécessite une finition qui augmente le coût D'autres traitements de durcissement en surface  A second technique is the production of a hard surface layer on a cylinder liner made of mild steel or cast iron. Such a layer is a hard chromium coating formed on the bore of the jacket. disadvantages because it is an expensive operation which increases the cost of the shirts, and the deposit does not easily retain the oil and can therefore be easily subjected to galling in use In addition, a chrome coating can soften at temperatures above 300 C so that its wear resistance decreases and requires a finish that increases the cost Other surface hardening treatments

sont aussi d'application coûteuse.are also expensive.

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une chemise d'acier doux pour cylindre d'un moteur à combustion interne, du type qui comprend le traitement de la surface interne de contact avec le piston au moins d'une chemise d'acier doux afin qu'elle résiste à l'usure 20 d'un piston et des segments associés, caractérisé en ce qu'un chemise de cylindre est mise à la forme finale en acier doux, la chemise en forme étant alors placée dans une chambre dont l'air est chassé, un mélange gazeux d'un gaz de carburation et d'un gaz azoté, dans 25 un rapport compris entre 25/75 et 75/25 % en volume, à une température de 500 à 650 C, étant transmis dans la chambre afin qu'il assure une nitrocarburation de  The invention relates to a method for manufacturing a mild steel liner for a cylinder of an internal combustion engine, of the type which comprises the treatment of the internal contact surface with the piston of at least one steel jacket. it is soft so that it resists wear of a piston and associated segments, characterized in that a cylinder liner is made into the final form of mild steel, the shaped liner then being placed in a chamber of which air is removed, a gaseous mixture of a carburizing gas and a nitrogen gas, in a ratio between 25/75 and 75/25 vol.%, at a temperature of 500 to 650 ° C. being transmitted in the chamber so that it ensures a nitrocarburization of

la chemise.shirt.

On décrit maintenant plus en détail certains 30 modes de réalisation considérés à titre purement illustratif de l'invention.  Some embodiments which are purely illustrative of the invention will now be described in greater detail.

EXEMPLE 1EXAMPLE 1

Une chemise sèche de cylindre est formée d'acier à faible teneur en carbone Par exemple, le matériau peut 35 avoir la composition suivante: Acier doux (% en poids) Carbone: 0,05 à 0,30 Silicium: 0,10 à 0,35 Manganese: 0,40 à 1,4 Soufre: 0,050 au maximum Phosphore: 0,050 au maximum Nickel,) peuvent être présents soit sous Chrome,) forme de trace soit sous forme Molybdène) d'addition d'alliage en quantité faible Reste: fer Une billette d'un tel matériau est d'abord poinconnée, emboutie ou extrudée par une filière de forme convenable afin qu'elle constitue une ébauche de forme générale cylindrique L'ébauche est alors usinées à la 15 configuration finale de la chemise par usinage d'un flasque d'extrémité, le cas échéant, et par mise aux dimensions  A dry cylinder liner is formed of low carbon steel. For example, the material can have the following composition: Mild steel (wt%) Carbon: 0.05 to 0.30 Silicon: 0.10 to 0 , 35 Manganese: 0.40 to 1.4 Sulfur: 0.050 maximum Phosphorus: 0.050 maximum Nickel,) may be present either in chromium,) trace form or in the form of molybdenum) alloy addition in low amount Rest A billet of such material is first punched, pressed or extruded by a suitably shaped die to form a generally cylindrical blank. The blank is then machined to the final configuration of the jacket by machining an end flange, if necessary, and by dimensioning

voulues des surfaces cylindres interne et externe.  desired internal and external cylinder surfaces.

La chemise en forme est alors placée dans une chambre dont l'air est chassé Ensuite, un gaz azoté, 20 par exemple de l'ammoniac, et un gaz de carburation, par exemple un gaz hydrocarboné exothermique, sont introduits dans la chambre à une température comprise entre 500 et 650 C La proportion des deux gaz azoté et de carburation peut être comprise entre 25/75 et 75/25 (% en 25 volume) bien que des essais réalisés avec l'ammoniac  The shaped liner is then placed in a chamber whose air is expelled. Next, a nitrogen gas, for example ammonia, and a carburizing gas, for example an exothermic hydrocarbon gas, are introduced into the chamber at a temperature of 50.degree. temperature between 500 and 650 ° C. The proportion of the two nitrogen and carburizing gases can be between 25/75 and 75/25 (% by volume), although tests carried out with ammonia

et un gaz hydrocarboné exothermique aient montré que des rapports 50/50 ou 60/40 (% en volume) donnaient d'excellents résultats.  and an exothermic hydrocarbon gas showed that 50/50 or 60/40 (% by volume) ratios gave excellent results.

Les gaz sont au contact des surfaces de la 30 chemise et le carbone et l'azote des gaz diffusent à partir de ces surfaces dans l'acier doux de la chemise en formant une mince couche (appelée couche "epsilon") ayant de 5 à 20 microns d'épaisseur et à partir de laquelle la diffusion s'effectue dans la masse de la chemise. 35 Dans le cas d'un matériau particulier, la profondeur totale de pénétration dépend du temps pendant lequel les gaz sont transmis, et elle peut être réglée afin qu'elle donne par exemple une couche "epsilon" de 10 microns  The gases are in contact with the jacket surfaces and the carbon and nitrogen gases diffuse from these surfaces into the mild steel of the jacket forming a thin layer (called the "epsilon" layer) having 20 microns thick and from which the diffusion takes place in the mass of the jacket. In the case of a particular material, the total depth of penetration depends on the time during which the gases are transmitted, and it can be adjusted to give, for example, an "epsilon" layer of 10 microns

d'épaisseur et une pénétration totale de 0,1 à 0,3 mm.  thickness and a total penetration of 0.1 to 0.3 mm.

Par exemple, le temps peut être de 2 à 4 h Une dureté de surface Vickers de 800 ou plus peut être obtenue et elle diminue progressivement mais non uniformément jusqu'à 5 la dureté du matériau de base Cette épaisseur se conserve  For example, the time can be from 2 to 4 hours. A Vickers surface hardness of 800 or more can be obtained and it gradually but not uniformly decreases to the hardness of the base material.

lors de l'exposition ultérieure de la chemise à des températures de fonctionnement pouvant atteindre 550 C.  during subsequent exposure of the jacket to operating temperatures up to 550 C.

La chemise est alors retirée de la chambre et elle est prête à être immédiatement utilisée sans 10 autre étape de finition La chemise a une surface externe dure résistant à l'usure et une âme ductile En outre, le traitement accroît notablement la résistance à la fatigue du revêtement Ceci peut avoir une importance particulière lorsqu'un flasque est disposé sur la chemise 15 et dépasse beaucoup à l'extérieur de celle-ci étant donné que la résistance à la fatigue augmente le résistance à la fatigue du flasque et réduit ainsi les risques de rupture du flasque et l'apparition de fissures dans la  The liner is then removed from the chamber and is ready for immediate use without further finishing. The liner has a hard wear-resistant outer surface and a ductile core. In addition, the treatment significantly increases the fatigue strength. This may be of particular importance when a flange is disposed on the liner 15 and protrudes far beyond it since the fatigue strength increases the fatigue strength of the flange and thus reduces the risks. rupture of the flange and the appearance of cracks in the

région du flasque.flaccid region.

EXEMPLE 2EXAMPLE 2

Une chemise sèche pour cylindre a été réalisée en acier doux ayant une teneur en carbone de 0,18 %, de la même manière que décrit précédemment en référenceà la figure 1 La chemise en forme a été placée dans 25 une chambre dont l'air a été chassé et a subi une nitrocarburation comme décrit précédemment en référence à l'exemple 1; la température était de 570 C et la durée de traitement de 3 h.  A dry jacket for a cylinder was made of mild steel having a carbon content of 0.18%, in the same manner as described above with reference to FIG. 1. The shaped jacket was placed in a chamber whose air was was removed and nitrocarburized as described above with reference to Example 1; the temperature was 570 C and the treatment time was 3 h.

Après traitement, la chemise a été rapidement 30 refroidie par un gaz puis retirée de la chambre et examinée.  After treatment, the jacket was rapidly cooled with gas and then removed from the chamber and examined.

L'alésage et la surface externe de la chemise avaient des couches égales nitrocarburées Une couche superficielle blanche "epsilon" de 0,04 mm d'épaisseur recouvrait une structure complexe d'aiguilles de nitrure de fer dans 35 des grains de ferrite sur une profondeur dépassant 0,2 mm avec une pénétration totale observée de 0,3 mm Dans la masse de la structure, la dureté diminuait d'une dureté Vickers de 540 juste au- dessus de la couche superficielle à une dureté de 380 à 0,15 mm de profondeur La dureté de l'âme du matériau était de 160-178 à 0,35 mm au- dessous  The bore and outer surface of the jacket had equal layers of nitrocarburts. A white "epsilon" surface layer 0.04 mm thick covered a complex structure of iron nitride needles in ferrite grains on a depth exceeding 0.2 mm with a total observed penetration of 0.3 mm In the bulk of the structure, the hardness decreased from a Vickers hardness of 540 just above the surface layer to a hardness of 380 to 0.15 mm The core hardness of the material was 160-178 to 0.35 mm below

de la surface.from the surface.

Des chemises de cylindres traitées comme décrit précédemment ont alors être utilisées dans un moteur diesel à turbocompresseur Après 300 h de fonctionnement, l'usure de la surface de la chemise était négligeable La consommation d'huile était acceptable à 0,5 % de la consommation 10 de carburant et la puissance supérieure d'environ 1 % à celle des chemises non traitées, étant donné la surface de chemise à faible frottement qui, après fonctionnement, a un aspect vitreux Après 550 h, la consommation d'huile avait légèrement augmenté à 0,7 % de la consommation 15 de carburant, dufaitde l'enfoncement des segments, mais  Cylinder liners treated as previously described were then used in a turbocharged diesel engine. After 300 hours of operation, wear on the jacket surface was negligible. Oil consumption was acceptable at 0.5% of consumption. 10% of fuel and the power of about 1% higher than that of untreated liners, given the low-friction liner surface which, after operation, has a glassy appearance After 550 h, the oil consumption had slightly increased at 0.7% of fuel consumption, as a result of segment depression, but

elle est encore acceptable La puissance avait augmenté de 1,3 % sans augmentation de la consommation de carburant.  it is still acceptable The power had increased by 1.3% with no increase in fuel consumption.

Les procédés de fabrication décrits précédemment et les chemises ainsi fabriquées présentent un certain 20 nombre d'avantages importants Comme la chemise est formée d'acier doux ductile et comme tout l'usinage est réalisé avant la nitrocarburation, la mise en forme de la chemise peut être réalisée facilement et rapidement Des aciers doux et des fontes qui conviennent sont peu coûteux si 25 bien que le coût des chemises est réduit L'opération  The manufacturing processes described above and the jackets thus made have a number of important advantages. As the jacket is made of soft ductile steel and since all machining is performed prior to nitrocarburizing, the shaping of the jacket can It can be easily and quickly made. Suitable mild steels and irons are inexpensive so that the cost of the shirts is reduced.

de nitrocarburation donne à la chemise une finition de surface qui résiste bien à l'usure, qui reste efficace aux températures élevées (pouvant atteindre 550 C) et qui pénètre sur une profondeur notable à partir de la 30 surface ( 0,01 à 0,3 mm).  nitrocarburizing gives the liner a surface finish that is well wear resistant, which remains effective at elevated temperatures (up to 550 C) and penetrates a noticeable depth from the surface (0.01 to 0, 3 mm).

Une telle chemise peut être emmanchée à force  Such a shirt can be force-fitted

dans un bloc-moteur sans qu'elle risque de se rompre par fragilité, car il reste une âme centrale ductile.  in an engine block without the risk of breaking through fragility, because it remains a ductile central core.

La surface externe résiste à l'usure par frettage sur 35 le bloc-moteur La surface interne de coopération avec  The outer surface resists shrink wear on the engine block.

le piston résiste à l'usure et au grippage du piston et des segments associés car la surface est bien mouillée par un film d'huile Il est aussi particulièrement avanta-  the piston resists wear and seizing of the piston and associated segments because the surface is well wetted by a film of oil It is also particularly advantageous

geux que les segments du piston soient aussi nitrocarburés par exemple comme décrit dans la demande publiée de brevet britannique n 2 112 025 La surface dure des segments a tendance à user la chemise en l'absence d'une surface 5 de dureté correspondante de la chemise Lorsque la chemise est de type humide, la surface externe résiste bien à  that the piston rings are also nitrocarburized for example as described in British Patent Specification No. 2,112,025. The hard surface of the segments tends to wear the jacket in the absence of a corresponding hardness surface of the jacket. When the shirt is wet type, the outer surface resists well

l'érosion par cavitation.cavitation erosion.

Il faut aussi noter que les chemises de cylindres réalisées comme décrit précédemment ont une résistance 10 accrue à l'oxydation atmosphérique, si bien que les coûts  It should also be noted that the cylinder liners made as previously described have an increased resistance to atmospheric oxidation, so that the costs

d'emballage et de transport sont réduits.  packaging and transport are reduced.

Bien entendu, diverses modifications peuvent  Of course, various modifications can

être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre 15 d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.  The devices and methods that have just been described are provided by those skilled in the art by way of nonlimiting examples without departing from the scope of the invention.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de chemise en acier doux pour cylindre d'un moteur à combustion interne, du type qui comprend le traitement de la surface interne 5 au moins d'une chemise d'acier doux destinée à être au contact d'un piston afin qu'elle résiste à l'usure d'un piston et des segments associés, caractérisé en ce qu'une chemise de cylindre est mise à la forme finale à partir d'acier doux, la chemise en forme étant alors placée 10 dans une chambre dont l'air est chassé, un mélange gazeux d'un gaz de carburation et d'un gaz azoté, dans un rapport compris entre 25/75 et 75/25 % en volume, à une température comprise entre 500 et 650 C, étant transmis dans la chambre afin qu'il assure la nitrocarburation de la chemise. 15 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé  A method of manufacturing a mild steel cylinder liner for an internal combustion engine, of the type which comprises treating the inner surface with at least one mild steel liner intended to be in contact with a piston so as to it is resistant to wear of a piston and associated segments, characterized in that a cylinder liner is made into the final shape from mild steel, the shaped liner then being placed in a chamber when the air is expelled, a gaseous mixture of a carburizing gas and a nitrogen gas, in a ratio of between 25/75 and 75/25% by volume, at a temperature of between 500 and 650 ° C, being transmitted into the chamber so that it ensures the nitrocarburization of the shirt. Process according to Claim 1, characterized en ce que le gaz azoté est l'ammoniac et le gaz de carburation est un gaz hydrocarboné exothermique.  in that the nitrogen gas is ammonia and the carburizing gas is an exothermic hydrocarbon gas. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et  3 Method according to one of claims 1 and 2, caractérisé en ce que les proportions des gaz sont 20 comprises entre 50/50 et 60/40 % en volume.  2, characterized in that the proportions of the gases are between 50/50 and 60/40% by volume. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température est  Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the temperature is de 550 C.550 C Procédé selon l'une quelconque des revendica25 tions 1 à 4, caractérisé en ce que la chemise est traitée  Process according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the liner is treated pendant un temps tel que la profondeur totale de pénétration de la couche nitrocarburée, dans la surface de la chemise, est comprise entre 0,1 et 0, 3 mm, avec une couche superficielle '"epsilon" d'épaisseur comprise entre 0,005 et 30 0,020 mm.  during a time such that the total penetration depth of the nitrocarburized layer, in the surface of the jacket, is between 0.1 and 0.3 mm, with a surface layer "epsilon" of thickness between 0.005 and 30 0.020 mm. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le temps de traitement est compris entre 2 et 4 h. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendi35 cations 1 à 6, caractérisé en ce que, avant nitrocarburation, une ébauche de forme générale tubulaire, formée d'acier doux, est réalisée et est usinée à la configuration d'une chemise pour cylindre à la forme finale, cette  Process according to Claim 5, characterized in that the treatment time is between 2 and 4 hours. 7. Process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that, before nitrocarburizing, a tubular generally shaped blank formed of mild steel is produced and is machined to the configuration of a cylinder liner. the final form, this chemise subissant alors la nitrocarburation.  shirt then undergoing nitrocarburation. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ébauche tubulaire est réalisée par une opération d'extrusion ou de pressage ou par emboutissage profond. 5 9 Chemise pour cylindre, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé selon l'une quelconque  8 Process according to claim 7, characterized in that the tubular blank is produced by an extrusion or pressing operation or by deep drawing. Cylinder liner, characterized in that it is manufactured by a process according to any one of des revendications 1 à 8.Claims 1 to 8.