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FR2513153A1 - PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES PISTONS DONT LE SOMMET EST RENFORCE. ELLE SE RAPPORTE A UN PISTON QUI EST FORME D'UN ALLIAGE LEGER 2 ET DONT LE SOMMET EST RENFORCE PAR UN FEUTRE 1 DE TRICHITES OU DE FIBRES, PAR EXEMPLE D'ALUMINE. LA PIECE EST REALISEE PAR MOULAGE SOUS UNE PRESSION SUFFISANTE POUR QUE L'ALLIAGE LEGER IMPREGNE BIEN LE FEUTRE. APPLICATION A LA FABRICATION DES PISTONS DES MOTEURS DIESEL.THE INVENTION CONCERNS PISTONS WHOSE TOP IS REINFORCED. IT RELATES TO A PISTON WHICH IS SHAPED FROM A LIGHT ALLOY 2 AND THE TOP OF WHICH IS REINFORCED BY A FELT 1 OF TRICHITES OR FIBERS, FOR EXAMPLE OF ALUMINA. THE PART IS MADE BY MOLDING UNDER SUFFICIENT PRESSURE SO THAT THE LIGHT ALLOY WELL IMPREGNATES THE FELT. APPLICATION TO THE MANUFACTURE OF PISTONS FOR DIESEL ENGINES.

Description

La présente invention concerne les pistons desThe present invention relates to the pistons of

moteurs à combustion interne.internal combustion engines.

On sait qu'un piston d'alliage léger, par exemple d'alliage d'aluminium et notamment un piston de moteur diesel ayant une cuvette de combustion, peut présenter une fissu-  It is known that a piston of light alloy, for example aluminum alloy and in particular a diesel engine piston having a combustion bowl, may have a crack.

ration à son sommet, dans certains cycles de fonctionnement.  at its peak, in certain operating cycles.

Une telle fissuration est surtout importante autour du bord de la cuvette de combustion et elle peut être particulièrement  Such cracking is especially important around the edge of the combustion bowl and it can be particularly

importante lorsque cette cuvette est du type rentrant.  important when this bowl is of the reentrant type.

On sait aussi qu'on peut éliminer une telle fis-  We also know that we can eliminate such fis-

suration par utilisation d'un organe de renforcements enrobé  suration by use of a coated reinforcing member

lors du moulage et formé d'alliages de cuivre ayant une ré-  during molding and formed from copper alloys having a

sistance mécanique élevée et une conductibilité thermique élevée, par exemple d'alliages de cuivre au beryllium et  high mechanical strength and high thermal conductivity, for example beryllium copper alloys and

de bronze du type cuivre-nickel-silicium, le bord de la cu-  copper-nickel-silicon type bronze, the edge of the

vette de combustion, susceptible de se fissurer, étant usiné  vette of combustion, likely to crack, being machined

dans l'alliage de cuivre.in the copper alloy.

Comme la résistance mécanique de l'alliage d'alu-  As the mechanical strength of the aluminum alloy

minium placé au sommet du piston, autour de l'organe de ren-  placed at the top of the piston, around the

forcement d'alliage de cuivre, ne peut pas supporter les contraintes imposées par les forces d'inertie de l'organe de renforcement d'alliage de cuivre, on doit habituellement fixer l'organe de renforcement par des pieds en saillie (qui peuvent être formés d'acier inoxydable ou d'alliage de cuivre),  Forced from copper alloy, can not withstand the stresses imposed by the inertial forces of the copper alloy reinforcing member, the reinforcing member must usually be fixed by projecting feet (which may be formed of stainless steel or copper alloy),

pénétrant dans les parties plus froides du piston.  penetrating the colder parts of the piston.

Cependant, la fabrication d'un tel piston pose des problèmes Ceux-ci sont essentiellement les suivants a) la précision du positionnement lorsque le piston est réalisé par les techniques classiques de moulage avec le sommet en position haute, et b) la suppression de toute porosité dans la jupe lorsque le moulage est exécuté avec le sommet vers le bas, cette disposition facilitant le positionnement précis de  However, the manufacture of such a piston causes problems These are essentially the following: a) the positioning accuracy when the piston is made by conventional molding techniques with the top in the up position, and b) the removal of any porosity in the skirt when molding is performed with the top down, this arrangement facilitating the precise positioning of

l'organe de renforcement et des pieds de fixation.  the reinforcing member and fixing feet.

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un piston d'alliage léger ayant un soetim-et renfrs ce qui ne présente pas le problème de la fissuration du somliîilet du piston ou qui l'élimine pratiquement, sans mise en oeuvre de pied de fixation ou d'une liaison intermétallique pour le maintien de l'organe de renforcement contre 1 'alliage du piston, ce procédé augmentant simultanément les propriétés mécaniques de l'alliage moulé correspondant par élimination pratiquement totale de la porosité, surtout dans les parties  The invention relates to a method of manufacturing a piston of light alloy having a soetim-and renfrs which does not have the problem of cracking of the somliilet of the piston or which eliminates it practically, without implementation foot of fixation or intermetallic bonding for holding the reinforcing member against the piston alloy, this process simultaneously increasing the mechanical properties of the corresponding cast alloy by substantially eliminating the porosity, especially in the parts

minces des pièces L'invention concerne aussi un piston d'al-  The invention also relates to a piston of

liage léger ayant un sommet renforcé et ayant les excellentes  lightweight binding having a reinforced top and having the excellent

caractéristiques précitées de structure.  aforementioned features of structure.

Un procédé de fabrication selon l'invention d'un piston d'alliage léger ayant un sommet renforcé comprend les opérations suivantes: a) la disposition d'un moule de piston ou d'une empreinte dans la position de moulage avec sommet vers le bas, c'est-à-dire que la partie du moule ou de l'empreinte qui forme le sommet du piston est la plus basse, b) la disposition d'un feutre de trichites ou de fibres d'une matière de renforcement à la face inférieure du moule ou de l'empreinte afin que la totalité ou une ou plusieurs parties choisies de la surface soient recouvertes, c) l'introduction dans le moule ou l'empreinte d'une masse fondue d'alliage léger afin qu'elle recouvre le feutre et remplisse le moule ou l'empreinte, d) l'application, à la masse fondue placée dans le moule ou l'empreinte, d'une pression suffisante pour que les forces de tension superficielle qui s'exercent entre le feutre et la masse fondue soient dépassées si bien que la masse fondue pénètre dans le feutre et en remplit les interstices, et e) la solidification de l'alliage fondu au contact du feutre de trichites ou de fibres afin qu'il forme une pièce composite dans laquelle les trichites ou fibres sont  A manufacturing method according to the invention of a light alloy piston having a reinforced top comprises the following operations: a) the arrangement of a piston mold or an impression in the molding position with the top downwards that is, the part of the mold or impression that forms the top of the piston is the lowest, b) the provision of a felt of whiskers or fibers of a reinforcing material at the lower face of the mold or impression so that all or one or more selected parts of the surface are covered, c) introduction into the mold or impression of a light alloy melt so that it covers the felt and fills the mold or impression, d) the application to the melt placed in the mold or impression, a pressure sufficient for the forces of surface tension exerted between the felt and the melt are exceeded so that the melt enters the fire fill in the interstices, and e) the solidification of the molten alloy in contact with the felt of whiskers or fibers so that it forms a composite part in which the whiskers or fibers are

enrobé dans l'alliage léger -coated in light alloy -

La pièce composite moulée est usinée afin qu'elle  The molded composite part is machined so that it

forme le piston terminé.form the finished piston.

L'invention concerne aussi un piston d'alliage léger ayant un sommet renforcé, dans lequel le renforcement comprend une couche ou un feutre de trichites ou de fibres de matière de renforcement, enrobé dans l'alliage léger ou  The invention also relates to a light alloy piston having a reinforced top, wherein the reinforcement comprises a layer or felt of whiskers or fibers of reinforcing material, embedded in the light alloy or

dont les interstices sont remplis par cet alliage léger.  whose interstices are filled by this light alloy.

L'alliage léger est de préférence un alliage d'aluminium, par exemple du type aluminium-silicium On  The light alloy is preferably an aluminum alloy, for example of the aluminum-silicon type.

peut aussi utiliser de l'aluminium pratiquement pur.  can also use almost pure aluminum.

Les trichites ou fibres sont de préférence for-  Whiskers or fibers are preferably

méesd'alumine A 1203 ou de carbure de silicium Si C Le dia-  alumina A 1203 or silicon carbide Si C The dia-

mètre des trichites ou desfibres est de préférence compris entre environ 2 et 5 microns Le feutre peut être formé par mise en oeuvre du procédé décrit dans le brevet britannique  The trichites or desfibres meter is preferably between about 2 and 5 microns. The felt can be formed by carrying out the process described in the British patent.

n'1 489 346 D'autres oxydes réfractaires ou d'autres com-  No. 1,489,346 Other refractory oxides or other

posés peuvent être utilisés; en outre, on peut utiliser  posed can be used; in addition, one can use

des métaux ayant une résistance mécanique et une conducti-  metals having a mechanical strength and a conductivity

bilité thermique élevées par exemple les alliages de cuivre  high thermal stability eg copper alloys

au beryllium et un bronze de type cuivre-nickel-silicium.  beryllium and a copper-nickel-silicon type bronze.

Le feutre placé à la face inférieure du moule ou de l'empreinte peut avoir une épaisseur de 6 à 10 mm et une porosité telle que, lorsqu'il est imprégné d'alliage métallique, les fibres ou trichites occupent 5 à 40 % du  The felt placed on the underside of the mold or the imprint may have a thickness of 6 to 10 mm and a porosity such that, when impregnated with metal alloy, the fibers or whiskers occupy 5 to 40% of the

volume, de préférence environ 20 % du volume.  volume, preferably about 20% of the volume.

Le feutre est simplement placé à la face infé-  The felt is simply placed on the underside

rieure du moule ou de l'empreinte et il y est maintenu par l'alliage fondu introduit par la partie supérieure du moule ou de l'empreinte, par exemple à une température d'environ 670-7400 C, si bien qu'aucun dispositif de positionnement  mold or impression and is held there by the molten alloy introduced by the upper part of the mold or the impression, for example at a temperature of about 670-7400 C, so that no device positioning

du feutre dans le moule ou l'empreinte n'est nécessaire.  felt in the mold or imprint is necessary.

Le feutre peut être placé sur toute la face inférieure du moule ou de l'empreinte, ou il peut être sous forme d'un  The felt may be placed on the entire underside of the mold or impression, or it may be in the form of a

anneau si bien que la partie centrale du sommet qui est reti-  ring so that the central part of the top which is

rée par usinage pour la formation de la cuvette de combustion est essentiellement formée d'alliage léger, le renforcement étant disposé autour du bord de la cuvette Il n'est pas nécessaire qu'un feutre annulaire atteigne la périphérie  Machining for the formation of the combustion bowl is essentially formed of light alloy, the reinforcement being arranged around the edge of the bowl. It is not necessary for an annular felt to reach the periphery.

externe du sommet.external of the summit.

Une pression peut être appliquée au métal fondu par un piston placé audessus de la cavité dans le moule  Pressure can be applied to the molten metal by a piston placed above the cavity in the mold

ou l'empreinte Le vérin est chassé au contact du métal fon-  or the impression The cylinder is driven out in contact with the metal

du si bien que celui-ci descend et remplit les interstices du feutre tout en améliorant les propriétés mécaniques de l'alliage et en réduisant la porosité de la pièce moulée, surtout dans la jupe et les autres parties minces de la pièce. La pression de moulage appliquée peut être comprise entre 315 et 3150 bars suivant la dimension du piston, la pression pouvant être maintenue pendant un temps compris entre 55 s  so that it descends and fills the interstices of the felt while improving the mechanical properties of the alloy and reducing the porosity of the molded part, especially in the skirt and other thin parts of the piece. The molding pressure applied can be between 315 and 3150 bars depending on the size of the piston, the pressure can be maintained for a time between 55 s

et 2 min, suivant la dimension de la pièce coulée.  and 2 min, depending on the size of the casting.

Les trichites ou fibres du feutre peuvent former  Whiskers or fibers of the felt may form

un arrangement aléatoire ou peuvent être orientéesen direc-  a random arrangement or can be oriented directly

tion particulière, la résistance mécanique étant alors accrue.  tion, the mechanical strength being then increased.

Le cas échéant, les trichâtes ou fibres peuvent être pré-  Where appropriate, trichâtes or fibers may be pre-

chauffées,par exemple à 200-3500 C. La-figure unique du dessin annexé représente  heated, for example to 200-3500 C. The single figure of the appended drawing represents

un mode de réalisation de piston selon l'invention dans le-  a piston embodiment according to the invention in the-

quel un feutre annulaire 1 de trichites ou de fibres est  what an annular felt 1 of whiskers or fibers is

enrobé au sommet du piston formé d'alliage léger 2.  coated at the top of the piston formed of light alloy 2.

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

être apportées par l'homme de l'art au dispositif et au pro-  be brought by the person skilled in the art to the device and the

cédé qui viennent d'être décrits uniquemeht à titre d'exemples non  which have just been described only as examples not

limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.  limiting without departing from the scope of the invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un piston d'alliage léger, ayant un sommet renforcé, caractérisé en ce qu'il comprend: a) la disposition d'un moule ou d'une empreinte de piston de manière que la partie du moule ou du piston qui forme le sommet du piston soit la plus basse, b) la disposition d'un feutre de trichites ou de fibres d'une matière de renforcement à la face inférieure du moule ou de l'empreinte afin que la totalité de la surface ou une ou plusieurs parties choisies de cette surface soient recouvertes, c) l'introduction dans le moule et l'empreinte d'une masse fondue d'alliage léger afin que le feutre soit recouvert et que le moule ou l'empreinte soit rempli, d) l'application à la masse fondue placée dans le moule ou dans l'empreinte, d'une pression suffisantapour que les forces de tension superficielle qui s'exercent entre le feutre et la masse fondue soient dépassées et que la masse fondue pénètre dans le feutre et remplisse ses interstices, et  A method of manufacturing a lightweight alloy piston having a reinforced top, characterized in that it comprises: a) arranging a mold or a piston impression so that the part of the mold or piston that forms the top of the piston is the lowest, b) the provision of a felt of whiskers or fibers of a reinforcing material to the underside of the mold or impression so that the entire surface or one or more selected parts of this surface are covered, c) the introduction into the mold and the imprint of a molten mass of light alloy so that the felt is covered and the mold or the imprint is filled, d ) the application to the melt in the mold or cavity of sufficient pressure that the surface tension forces exerted between the felt and the melt are exceeded and that the melt enters the melt. felt and fills its interstices, and e) la solidification de l'alliage fondu au con-  e) the solidification of the molten alloy with tact du feutre de trichites ou de fibres afin qu'il se forme une pièce composite moulée dans laquelle les trichites ou  tact of the felt of whiskers or fibers so that a molded composite piece is formed in which the whiskers or fibres sont enrobéesdans l'alliage léger.  fibers are coated in the light alloy. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale du sommet du piston est retirée par usinage afin qu'une cuvette de combustion soit formée  Method according to claim 1, characterized in that the central part of the piston crown is removed by machining so that a combustion bowl is formed avec un bord renforcé par les trichites ou fibres.  with an edge reinforced by whiskers or fibers. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression est appliquée au métal fondu par un  Process according to claim 1, characterized in that the pressure is applied to the molten metal by a piston placé au-dessus de la cavité du moule ou de l'em-  piston placed above the cavity of the mold or preinte, cette pression étant de préférence comprise entre  preint, this pressure being preferably between 315 et 3150 bars.315 and 3150 bars. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications  Process according to any one of the claims 1 à 3, caractérisé en ce que la couche ou le feutre de tri-  1 to 3, characterized in that the tread layer or felt chites ou de fibres a une porosité telle que, apres imprégna-  chites or fibers has a porosity such that, after impregnating tion par l'alliage métallique, les trichites ou-fîbres occupent à 40 % du volume. Piston d'alliage léger ayant un sommet renforcé, caractérisé en ce que son renforcement est assuré par une  metal alloy, whiskers occupy 40% of the volume. Piston of light alloy having a reinforced top, characterized in that its reinforcement is ensured by a couche ou un feutre ( 1) de trichites ou de fibres d'une ma-  layer or felt (1) of whiskers or fibers of a tière de renforcement, enrobé dans l'alliage léger ( 2)  reinforcement, embedded in light alloy (2) et dont les interstices sont remplis par l'alliage léger.  and whose interstices are filled by the light alloy. 6 Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage léger ( 2) est un alliage d'aluminium,  Piston according to Claim 5, characterized in that the light alloy (2) is an aluminum alloy, notamment d'aluminium et de silicium.  especially aluminum and silicon. 7 Piston selon l'une des revendications 5 et 6,  Piston according to one of claims 5 and 6, caractérisa en ce que les trichites ou fibres ( 1) sont choi-  characterized in that whiskers or fibers (1) are chosen sies dans le groupe qui comprend l'alumine, le carbure de silicium, les alliages de cuivre au beryllium, et les bronzes  in the group that includes alumina, silicon carbide, beryllium copper alloys, and bronzes du type cuivre-nickel-silicium.copper-nickel-silicon type. 8 Piston selon à 7, caractérisé en ce ont un diamètre compris 9 Piston selon à 8, caractérisé en ce trichites ou de fibres a Piston selon à 9, caractérisé en ce vette de combustion dont  8 Piston according to 7, characterized in that have a diameter of 9 Piston according to 8, characterized in that trichites or Piston fibers according to 9, characterized in vette combustion of which chites ou fibres.chites or fibers. l'une quelconque des revendicationsany of the claims que les trichites ou fibres ( 1)that whiskers or fibers (1) entre 2 et 5 microns.between 2 and 5 microns. l'une quelconque des revendicationsany of the claims que la couche ou le feutre ( 1) dethe layer or felt (1) of une forme annulaire.an annular shape. l'une quelconque des revendicationsany of the claims que le sommet du piston a une cu-that the top of the piston has a le bord est renforcé par les tri-the edge is reinforced by
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