Les soupapes forgées, nimonic, acier ? Différences ? Avantages ? ou pas…

La soupape est un élément clé du moteur, mais aujourd’hui dans le monde de l’auto sportive on trouve tous les types de soupapes. Soupape forgée, Nimonic, Acier, Titane… On choisit tel ou tel matériau car la légende raconte que…mais au final on ne sait pas vraiment pourquoi, quelles sont les avantages, ou les différences entres soupapes forgées, austénitique, nimonic..

Découvrez les secrets des soupapes dans cet article

Cet article ne se veut pas être une thèse sur la fabrication des soupapes, mais simplement une tentative d’explication de la méthode de fabrication des soupapes, leur mise en forme, les différents types qui existent, bimétalliques, monométallique, sodium…etc

La soupape est une des plus petites pièces du moteur qui pourtant prends des contraintes diverses et variées. Fortes températures, corrosion, contraintes  mécaniques sont le quotidien de vos soupapes.

On distingue deux grandes familles, les soupapes d’admission et les soupapes d’échappement.

Les soupapes d’admission ont généralement une température de fonctionnement bien moins élevée que leur cousine, et également un diamètre plus important. Elles sont la plupart du temps fabriquées à partir d’acier de type martensitique.

Quand à leur cousine, les voisines de l’échappement, leur température de travail peut atteindre les 750°c, elles sont faites à partir d’un acier austénitique, ayant une structure plus stable à haute température.

Pour avoir une telle résistance avec une si petite taille, comment sont elles fabriquées ?

Au départ une soupape ça ressemble à une tige d’acier, ou d’inox, en bobine ou en barre.

 

Il existe à notre connaissance 3 façons de fabriquer des soupapes :

– L’extrusion, celle ci permet de former la tige de soupape, puis en refoulant la matière on forme le bas de la soupape c’est à dire la tête. Pour vous donner une image un peu à la façon d’un maître verrier qui fabrique un pied de verre de table… ( c’est une image n’y voyez rien de scientifique 😀 )

– La fabrication de la soupape bimétallique, en 2 temps, d’un coté la forge de la tête, la tige étant pour le moment séparée, puis vient l’instant de la soudure par friction

– Le troisième procédé le plus commun, la chauffe localisée pour ensuite venir frapper cette partie pour former la tête de la soupape ( on parle de upset forging )

Une quatrième technique est en cours de développement par les fournisseurs d’acier à soupapes, afin d’arriver à une forge à froid des soupapes, pour gagner en temps, et en énergie.

Et donc nos soupapes forgées dans tout ça ?

Il apparaît donc à l’issu de cela qu’il n’existe pas de technique propre à faire des soupapes de compétitions dites forgée… On nous aurait menti ?!

A priori et hors erreur de notre part, il n’est pas possible de forger une soupape en monobloc, d’un coup de frappe, comme cela peut être le cas pour les bielles forgées. Cela d’autant plus que le principal fournisseur d’acier à soupape Cogne, fabrique soit des bobines, ou des barres. Il reste donc à former la tête comme nous l’avons indiqué. Le terme de soupape forgée étant peut être simplement marketing, car la moindre soupape de 2CV, est elle aussi chauffée et frappée…

La technique est le upset forging, donc toutes les soupapes hors les soupapes extrudées et bimétalliques, sont de ce fait forgées, même si le terme est en fait un peu galvaudé.

Aujourd’hui Mespiecesauto fabrique des soupapes sur mesure pour des moteurs à grosses contraintes tout de même, par exemple la Renault 5 Turbo, qui est connue pour avoir une fragilité au niveau des soupapes d’échappement bimétallique. Les soupapes d’origine ont tendances à casser au niveau de la soudure puis tomber dans les chambres. Mespiecesauto a refabriqué en 2009 des jeux de soupapes de Renault 5 Turbo en acier austénitique, certaines de ces soupapes sont montées dans des autos de courses ( R5 Turbo groupe 4 Bozian ) et fonctionnent sans aucun problème.

Et le matériau dans tout ça ?

Les mots magiques « forgé », « haute performance », « renforcé », ça plait toujours beaucoup, mais au final savez vous de quoi est constituée la soupape super haute performance forgée renforcée 🙂  ?

L’important est de voir les différences qu’apportent les matériaux :

– Les aciers austénitique – et martensitique : Les plus courants !

L’acier austénitique, connu sous les normes VA61, il s’agit en fait d’inox, pour austénitique VA61, on parle de soupape non magnétique. Cet alliage à une bonne résistance à la température et une densité moins élevé que l’inconel. Contrairement aux soupapes austénitiques, les admission sont souvent fabriquées en aciers martensitique, celui ci est magnétique , ça peut etre une bonne idée de vous équiper d’un aimant, pour voir si vos soupapes d’échappement fraîchement achetées comme soupape haute performance sont bien réalisées en acier austénitique.Si l’aimant colle c’est mauvais signe 🙁

– L’inconel

Les soupapes inconel sont surtout utilisées pour l’échappement, ce sont des alliages de nickel et chrome, qui ont de bonnes performance jusqu’à 900°c environ. L’inconel offre une très bonne résistance à la corrosion des gaz d’échappement. Les soupapes inconel sont recommandées pour des températures de fonctionnement très élevées, c’est par exemple utilisé sur les moteurs de F1

Concernant le poids la densité est de 8.28g/cm3 (7.7g/cm3 pour le VA61 acier austénitique) pour un inconel type X750 Son point de fusion est de 1430°C

 

-Le nimonic

L’alliage Nimonic le plus utilisé pour la fabrication de soupape est le 80A. Il s’agit d’un alliage à base de nickel qui a une très bonne résistance à haute température et à la corrosion, on est un degré au dessus de l’acier austénitique en terme de résistance. Pour la petite histoire ce matériau est utilisé dans le turbine à gaz, et même dans l’industrie du nucléaire et l’aérospatiale. Sa densité est de 8.19g/cm3 donc plus lourd que de l’acier austénitique et légèrement moins que l’inconel, son point de fusion est de 1365°C. Des soupapes nimonic sont également montées dans les moteurs de tractor pulling. Ca peut être une solution en cas de très très grosse préparation.

– Le titane

Le titane est ultra résistant, et ultra légér (4.5g/cm3). C’est un peu le matériau roi dans la soupape, il existe 2 types de revêtement sur les soupapes titane : Le nitrure de titane ( couleur jaune dureté 2300HV ) , et le carbonitrure couleur argent ( dureté 1750HV). Ces 2 traitements ont pour but d’augmenter la résistance générale de la soupape.

Il faut bien vous dire que tel ou tel matériau de soupape n’améliorera pas les performances de votre moteur. La dynamique des fluides ne tient pas compte du matériau de votre soupape. Alors demandez vous si vous avez vraiment besoin de soupape Inconel, ou titane avant de dépenser une belle somme…

 

Les revêtements de soupapes, et autres traitements :

Le chromage : les queues de soupapes sont chromées durs, afin d’améliorer leur résistance ainsi que le coefficient de friction, on retrouve ce type de traitement sur les axes de pistons en général

La nitruration : Très à la mode on voit souvent ce traitement qui se traduit pas des soupapes noires. Ce traitement améliore la dureté de la soupape, cela augmente la résistance à la corrosion. Il se dit chez les fabricants de soupape que la nitruration améliore le coefficient de frottement, et évite que la soupape ne casse en cas  de choc avec les pistons, la nitruration agissant comme une pellicule dure…pour être honnête on a pas assez de données pour vous répondre.

 

Le stellite : Le stellite est un procédé de soudure d’alliage de Cobalt, on parle de rechargement dur également. Cette opération est réalisée sur la porté de la soupape en contact avec le siège, cela accroît sa résistance mécanique et sa résistance aux différentes contraintes de température.

Voici ce procédé en vidéo

 

 

 

Pour conclure :

Nous avons fait un tour général de la fabrication de soupapes, il manque encore quelques approches comme les soupapes sodium, natrium par exemple, mais vous l’aurez compris une soupape de type « ordinaire » mais réalisée dans les règles de l’art est tout à fait à même de répondre à vos exigences. De nombreux moteurs de nos anciennes ont été préparés avec des soupapes « standards » mais de qualité sans avoir besoin de soupape nitrurée noire, titane et autres. On peut toujours être dans la course aux armements sur une préparation, mais il faut se poser la question de la réelle utilité d’avoir un jeu de soupapes titanes, nitruré noire, généralement ça flatte plus l’égo du propriétaire que celui du moteur 🙂

Vous l’aurez également compris, la quasi intégralité des soupapes d’origine sont  forgées, sauf les soupapes réalisées par extrusion, ou bimétallique où seule la tête est forgée. La prochaine fois que vous lirez soupape forgée…vous saurez 🙂

Nous espérons vous avoir aidé dans vos futurs choix, sachez que Mespiècesauto est capable de réaliser sur mesure vos soupapes, que ce soit des admissions, échappements, ou autres nous pouvons vous réaliser une étude.