Brevet FR2005313A1 — publié le 19691212

la présente invention est relative aux pièces de freins, par exemple aux disques de feeins, et en particulier aux compositions à base de fonte grise destinées à leur fabrication. Depuis longtemps, et aujourd'hui encore, les freins des vé-5 hicules automobiles font l'objet de nombreuses recherches en vue de produire des freins efficaces, durables et sûrs à des prix raisonnables. Ce sont ces travaux qui ont révélé que la fonte grise hypoeutectique était une matière extrêmement intéressante pour la fabrication de tambours et de disques de freins. On sait 10 que la fonte grise hypoeutectique est une composition de fer, de carbone et de silicium ayant une teneur en carbone ou en carbone équivalent inférieure à environ 4,3 % en poids, où le carbone équivalent est représenté par la teneur totale en carbone plus un tiers de la teneur en silicium, conjointement avec une frac-15 tion de la teneur en phosphore (bien que, lorsque la teneur en phosphore est faible, cet élément puisse être négligé). Il s'est avéré que les fontes grises contenant, en poids, de 3,1 à 3,5 % de carbone et de 1,8 à 2,5 % de silicium ont une dureté et une conductibilité thermique permettant de produire des pièces de 20 freine résistantes à l'usure, mais on a constaté que certains freins à disques ayant des disques en fonte grise hypoeutectique ont tendance à grincer à de très, faibles vitesses pendant le freinage et à des vitesses élevées pour une pression faible. Bien qu'étant par ailleurs satisfaisants, ces freins, du fait des 25 bruits de grincement périodiques qu'ils produisent, sont désagréables pour le conducteur et les passagers du véhicule. > Ces bruits peuvent, dans une certaine mesure, être atténués en fixant au disque de frein, qui constitue l'organe vibrant principal, des éléments destinés à amortir les vibrations. Toute-30 fois, cette solution n'est pas particulièrement avantageuse car elle oblige à alourdir les freins uniquement pour les rendre moins bruyants. La présente invention s'engage dans une autre voie pour résoudre ce problème, c'est-à-dire en proposant un disque de frein 35 en une matière ayant les propriétés avantageuses de la fonte grise hypoeutectique jointes à la particularité d'amortir les vibrations induites dans l'organe rotatif par le fonctionnement du frein: d'une façon générale, ce résultat est obtenu en augmentant la teneur en carbone équivalent par rapport à la fonte gri-40 se classique et en réglant la micro-structure de façon que la 69 09856 2 2005313 I majeure partie (en général pratiquement la totalité) du carbone | non combiné soit présente sous une forme particulière de graphite. | Plus précisément, selon l'invention, une composition de fonte grise adaptée pour la fabrication de pièces de freins, par 5 exemple de disques de freins, est caractérisée par une matrice principalement perlitique dans laquelle est dispersé du graphite de type A selon la nomenclature ASTM, et qui a une composition comprenant, en poids, de 3,6 à 4,0 % de carbone, de 2,5 à 4,0 % de silicium et du fer, et dans laquelle la somme de la teneur en 10 carbone et du tiers de la teneur en silicium représente, au moins, 4,5 % en poids. Ladite composition, qui est une fonte grise hypereutectique, peut être facilement coulée et usinée pour produire une pièce de frein de longue durée, extrêmement efficace, qui est résistante à l'usure et qui, de plus, a un pouvoir 15 relativement grand pour amortir des vibrations mécaniques internes susceptibles de produire des bruits désagréables. La composition peut également contenir jusqu'à 2 % en poids d'un ou de plusieurs éléments' de stabilisation de la perlite. Elle contient normalement des traces d'impuretés courantes, telles 20 que le soufre et le phosphore. Les limites imposées aux concentrations de carbone et de silicium dans la composition sont ef- !j fectivement telles que la teneur en carbone équivalent de l'ai- j liage est, au moins, de 4,5 % en poids, car dans les compositions de fonte grise hypereutectique conformes à l'invention, le carbo-25 ne équivalent peut être déterminé par addition de la teneur totale en carbone et d'un tiers de la teneur en silicium, en poids. La teneur en phosphore, qui est conventionnellement incluse dans la détermination du carbone équivalent, est généralement si faible dans les compositions considérées qu'elle est négligeable 30 (et de plus, il ne semble pas que le phosphore joue un rôle si- J gnificatif dans la présente invention). La technique, utilisée dans la préparation et la coulée de la présente composition est réglée de manière à produire une fonte grise ayant une matrice perlitique dans laquelle sont disper- I 35 sées des masses séparées et relativement grandes de graphite, sous la forme qualifiée de "graphite type-A™ suivant la norme ASTM. Il est préférable que cette matrice perlitique contienne moins de 10 à 15 % en volume, de ferrite libre, tel qu'il ressort d'un examen d'une micro-photographie d'un échantillon représen-40 tatif de la structure. BAD ORIGINAL 69 09856 3 2005313 Ces compositions de fonte grise hypereutectique ont d'excellentes propriétés d'amortissement des vibrations qui les rendent propres à être utilisées comme pièces de freins. De plus, elles ont des propriétés surprenantes de résistance à l'usure, 5 propriétés nécessaires pour servir de pièces de freins des véhicules automobiles. On croyait, auparavant, que les fontes, grises à haute teneur en carbone et en silicium seraient trop tendres pour servir de pièces de freins, mais on vient de découvrir qu' il n'en était rien et que, comme on le verra, ces fontes présen-10 tent plusieurs avantages inattendus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, la Fig. unique représente un disque de frein réalisé en une fonte 15 grise hypereutectique conforme à l'invention. les exemples qui suivent, donnés uniquement pour illustrer l'invention, n'ont bien entendu aucun caractère limitatif. Exemple 1 On coule un certain nombre de disques de frein en utilisant *0 une composition de fonte grise hypereutectique comprenant en poids, 3,74 % de carbone, 2,77 % de silicium, 0,64 % de manganèse, 0,23 % de chrome, 0,46 % de phosphore, 0,01 % de soufre,pratiquement tout le reste étant du fer. le carbone équivalent de cette composition (carbonetotal plus un tiers du silicium) repré--25 sente 4,66 % en poids. Un examen de la micro-structure d'un échantillon représentatif de l'un des disques indique que la matrice a une composition estimée à 10 à 15 % en volume de ferrite libre, le reste étant de la perlite grossière. Dans toute la matrice perlitique sont dispersées de grandes masses séparées de graphite 30 de type A, selon la désignation ASTM, de 4,5 à 8 mm. les disques de freins produits sont tels que celui désigné par la référence 10 au dessin annexe. Ces disques moulés sont usinés, montés sur des moyeux et minutieusement équilibrés, comme il est d'usage. pour les disques courants du commerce qui sont en fonte grise 35 ayant une teneur plus basse en carbone équivalent. Les freins comportant ces disques moulés sont montés sur des véhicules automobiles et sont étudiés pendant des essais routiers prolongés. Ces essais ont montré que les disques et les freins qui en sont équipés fonctionnent silencieusement et efficacement. 69 09856 4 2005313 De plus, on soumet ces disques à des essais de laboratoire afin de s'assurer des propriétés d'amortissement de la composition de fonte grise ci-dessus. On sait qu'une augmentation des propriétés d'amortissement des vibrations se traduit par une di-!? minution de l'amplitude des. vibrations qui y sont induites et/ou par une augmentation de la vitesse d'amortissement des vibrations quand on supprime la source des vibrations. Dans le cas des disques de freins pour véhicules automobiles, l'amortissement par la matière elle-même est relativement faible. En conséquence, on 10 peut utiliser aux fins d'évaluation les méthodes d'analyse généralement appliquées à des systèmes amortis visqueux. L'équation suivante exprime le mouvement d'un système vibrant à un seul degré de liberté : )(j> t X » Ae c ° cos (Wjt + 4>) (I) 15 dans laquelle X est le déplacement instantané, (C/C ) est. la capa- 0 cité d'amortissement de l'ensemble exprimée sous forme d'un rapport du coefficient d'amortissement au coefficient d'amortissement critique, (aJq est une fréquence naturelle non-amortie qui n'est pas très différente de la fréquence naturelle amortie ) et A et h = e"2 (2) A o Des disques montés sur un moyey:, qui avaiert été préparés comme il a été décrit ci-dessus, sont excités entre I 000 et 14 000 Hz au moyen d'un éleetro-aimant. Cette gamme de fréquences a été choi-30 sie comme étant représentative des vibrations que l'on rencontre dans des conditions normales de conduite. Un accéléromètre de 0,5 mg est collé avec une résine époxy au bord radialement extérieur de la face intérieure du disque afin de détecter l'amplitude des vibrations. Le signal de sortie de 1'accéléromètre est amplifié 35 et est appliqué à un oscilloscope et la capacité d'amortissement du disque de frein est calculée à partir du tracé apparaissant sur l'écran en utilisant l'équation (2) ci-dessus. On trouve une gamme relativement étroite de capacités d'amortissement sur la gamme de fréquences des vibrations induites. Cette gamme est suffisamment 69 09856 5 2005313 étroite pour la moyenne des capacités d'amortissement pour être prise comme représentative de la capacité d'amortissement du disque. La moyenne des capacités d'amortissement de tous les disques essayés s'établit à 0,36% de la capacité d'amortissement critique 5 de l'ensemble. Comme il a été noté ci-dessus, les disques de frein produits avec cette composition de fonte grise ont tous été trouvés exceptionnellement silencieux pendant des essais routiers prolongés dans des véhicules automobiles réels. En conséquencea la capacité 15 Exemple 2: On coule une seconde série de disques de frein avec une composition de fonte grise comprenant, en poids, 3,72# de carbone, 2,50# de silicium, 0,6l# de manganèse, 0,23# de chrome,0,44# de phosphore, 0,01# de soufre , pratiquement tout le reste étant du 20 fer. Le carbone équivalent de cette matière est, en poids, 4,55#. Un exaoen de la micro-structure de l'iàn des disques permet d'esti-mei^ue la matrice contient de 5 à 10# en volume de ferrite libre, le reste étant de la perlite grossière. Au sein de la matrice sont dispersées des masses séparées relativement grandes de graphite A, 25 selon la désignation ASTM. Comme il a été décrit à propos des disques préparés selon l'exemple!I, les pièces coulées sont usinées, môntées sur des moyeux, équilibrées, montées sur des véhicules automobiles et soumises à des essais routiers. Les freins à disques équipés des présents disques en fonte grise sont silencieux, quels 30 que soient l'état des routes et les conditions de conduite. On soumet également ces disques aux essais d'amortissement de vibration décrits ci-dessus, dans lesquels on les fait vibrer à des fréquences dè I 000 à 14 000 Hz. La capacité d'amortissement moyenne de tous les disques s'établit à 0,28# de la capacité d'amor 35 tissement critique. Etant donné que le fonctionnement de ces disques est satisfaisant du point de vue du bruit, la valeur ci-dessus est considérée comme une mesure de cette propriété désirable de la composition. Exemple 3? 40 On coule une troisième série de disques de frein, cette fois 69 09856 6 2005313 avec une composition de fonte grise comprenant, en poids, 3#95# de carbone, 2,71# de silicium, 0,55# de manganèse, 0,29# de chrome, 0,08# de phosphore, 0,1# de soufre , le reste étant du fer. Le carbone équivalent de cette composition est, en poids, 4,85#. On 5 examine l'un des disques au microscope. On estime que la matrice contient 5 # en volume de ferrite libre, le reste étant de la per-lite.' Au sein de la matrice sont dispersées des masses relativement grandes ûe graphite A selon la norme ASTM. On usine les disques.» oit l©s saoEfc© svœ êss EiojeiKS^ @21 les équilibre* Au fins de comparaison, on soumet vin qertain nombre de freins à disquesde modèle courant en composition de fonte grise hypoeutectique classiques à la fois à des essais routiers et à des es-20 sais de laboratoire, comme décrit. Dans chaque groupe de disques, on note qu'une gamme relativement étendue de capacités d'amortissement ou de niveau sonore peuvent être observées. Certains de aes disques fonctionnent réellement de façon silencieuse, mais un grand nombre d'entre eux produisent des grincements désagréables 25 dans les conditions de conduite normales. Lorsqu'on soumet ces disques à des essais de vibration en laboratoire, on trouve que leurs capacités d'amortissement varient d'environ 0,079# à environ 0,20# de la capacité d'amortissement critique de l'ensemble. Il est vrai que la capacité d'amortissement varie avec la 30 fréquence de vibration et avec la construction particulière du disque de frein considéré. Il est également vrai que le processus analytique utilisé ici pour calculer les capacités d'amortissement des disques de frein ne reflète pas toutes les caractéristiques de vibration de la structure. Toutefois, on constate que 35 les compositions de fonte grise ayant une teneur élevée en carbone équivalent sont très supérieures, en particulier en ce qui concerne la capacité d'amortissement, tant dans les essais de laboratoire que dans les essais réels sui^oute. En conséquence, on considère que les capacités d'amortissement (calculées à partir 40 de Inéquation (2))comprises entre 0,20# et 0,25# de.la capacité 69 09856 2005313 d'amortissement critique constituent une limite inférieure, au moins en ce qui concerne les fréquences de vibration de I 000 à 14 000 Hz pour obtenir un fonctionnement silencieux des freins. En général, il est préférable que les présentes compositions 5 de fonte grise hypéreutectique contiennent, en poids, de 3,6 à 4,0# de carbone, de 2,5 à 4,0# de silicium, une petite quantité, mais cependant efficace, d'un stabilisateur de la perlite de sorte qu'au moins 5#, mais pas plus de 10 à 15# en volume de ferrite libre soit présente dans la matrice de la composition, le reste 10 étant du fer (à l'exception des petites quantités d'impuretés normales, telles que le phosphore et le soufra ). Les quantités relatives de carbone et de silicium peuvent être réglées à l'intérieur des limites ci-dessus à condition que le carbone équivalent de la composition soit d'au moins 4,5# en poids. De plus, la tech-15 nique de préparation et de coulée des compositions est réglée selon la pratique classique avec la fonte grise de sorte que la matrice de la fonte coulée solidifiée est principalement (à peu près) perlitique, ne contenant, de préférence, pas plus d'environ 10 à 15# en volume de ferrite libre. Le graphite (carbone non combiné) 20 est dispersé à travers toute la matrice sous la forme qualifiée de "graphite de type-A" selon la désignation ASTM, c'est à dire, sous la forme de masses séparées relativement grandes. Dans les exemples ci-dessus, on utilise du manganèse et cfci chrome stabilisateurs de la perlite pour maintenir la quantité de 25 ferrite libre au dessous de 15# environ en volume. Toutefois, d'autres stabilisateurs, tels que le cuivre, l'étain et le molybdène, séparément01èombinés, pourraient également être utilisés dans des proportions de I à 2# en poids pour stabiliser la perlite, une matrice pratiquement perlitique étant considérée comme nécessaire 30 pour produire les propriétés de dureté et de résistance à l'usure nécessaires pour les pièces de freins. C'est ainsi, par exemple, que la composition pourrait, en outre, contenir, en poids de la composition totale, de 0,5 à I# de manganèse, de 0,1 à 4# de chrome de 0 à 0,05# d'étain et de 0 à 0,20# de cuivre, le reste étant du 35 fer (abstraction faite des impuretés). D'autres exemples de compositions de fonte grise hypereutectique conformes à l'invention et qui contiennent notamment d'autres combinaisons de stabilisateurs de perlite, sont les suivantes, tous les pourcentages étant en poids : 40 Exemple 4: 69 09856 8 2005313 Carbone 3,6 - 4,0 Silicium 2,50 - 2,80 •Manganèse 0,55 - 0,85 Chrome 0,10 - 0,20 5 Etain 0,05 0,10 le reste étant du fer avec quelques traces d'impuretés, telles que le soufre et le phosphore. • Exemple 5 : Carbone 3*60 - 4,0 10 Silicium 2,50 - 2,80 Manganèse 0,55 - 0,85 Chrome 0,10 - 0,20 Cuivre 0,15 - 0,25 le reste étant du fer avec quelques traces d'impuretés. 15 Exemple 6; Carbone 3,60 - 4,0 Silicium 2,50 4,0 Chrome 0,10 - 0,30 Molybdène 0,10 - 0,20 20 le reste étant du fer avec quelques traces d'impuretés. Comme il a été indiqué ci-dessus, le carbone qui n'est pas combiné chimiquement doit être présent sous la forme de masses ou de particules séparées relativement grandes, car c'est dans ce cas que les compositions présentent la résistance, la dureté et la 25 conductibilité thermique nécessaires pour obtenir une bonne résistance à l'usure de la pièce de frein. De plus, la matrice doit être pratiquement perlitique afin d'assurer la résistance à l'usure. Les masses de graphite contenues dans la matrice perlitique semblent produire les propriétés recherchées d'amortissement sans 30 nuire pour autant à la conductibilité thermique ni à la résistance à l'usure de la composition. Toutefois, on présume que la ferrite libre contribue également à 1*amortissement des vibrations par des mécanismes magnéto-mécaniques. Une quantité relativement petite de ferrite, pouvant aller jusqu'à 10 - 15# en volume, sem-35 ble améliorer les propriétés d'amortissement des vibrations de la composition sans nuire à sa résistance à l'usure. Dans la technique antérieure, les compositions de fonte grise hypereutectique n'étaient pas considérées comme particulièrement bien adaptées pour la fabrication de pièces de freins à cause bH UVÎ356 9 2005313 de leur moins grande dureté et de la faible valeur de leur résistance à la traction. Cette moins grande résistance de ces compositions est dûe, dans une large mesure, à la plus grande quantité de graphite qui est distribuée au sein de la matrice perlitique. 5 Par contre, dans les présentes compositions pour pièces de freins, le graphite supplémentaire contribue notablement à la conductibilité thermique. Dans les applications réelles de pièces de freins, il semble que la conductibilité thermique élevée de la présente composition contribue à une plus grande capacité de freinage et à 10 une plus grande résistance à 1'échauffement. Les compositions de fonte grise hypereutectique ayant une résistance à la traction '2 d'au moins 1.680 jç'g/cm et une dureté Brinell d'au moins 145 ont donné des résultats satisfaisants comme disques de freins. La résistance à l'usure est apparamment régie par la micro-structure de 15 la matrice. Le carbone et/ou silicium supplémentair^èans la fonte majore très faiblement le coût de la matière. En raison de la meilleure conductibilité thermique des compositions de fonte grise à haute teneur de carbone de la présente invention, on peut envisager de fabriquer avec cette matière, des 20 tambours de frein classiques ne comportant pas les ailettes qui, jusqu'à présent étaient nécessaires pour obtenir tin refroidissement suffisant. 69 098S6 10 200SB13 Revendications 1 - Pièce de frein en fonte grise, notamment disque de frein, caractérisé par une matrice principalement perlitique dans laquelle est dispersé du' graphite de type A selon la désignation ASM, 5 et qui comprend, en poids, ce 3,6 à 4,0 % de carbone, de 2,5 à 4,0 % de silicium, et du fer, et dans laquelle la somme de la teneur en carbone et d'un tiers de la teneur en silicium est d'au moins 4,5 % en poids. 2 - Pièce de frein en fonte grise suivant la revendication 1, 10 qui comprend un stabilisateur de la perlite, caractérisée.en ce que la matrice contient une quantité de ferrite libre ne dépassant pas 15 % en volume. 3 - Pièce de frein en fonte grise suivant la revendication 1 ou 2, caractérisêsen ce que la composition comprend en outre, 15 en poids, de 0,5 à 1,0 % de manganèse, de 0,1 à 0,4 % cle chrome, de 0 à 0,05 % d'étain et de 0 à 0,20 % de cuivre, le reste étant du fer (à l'exception des impuretés) et la matrice contient de la ferrite libre dans une proportion comprise entre 5 et 15 % en volume. 20 4 - Disque de frein en fonte grise, suivant l'une des re vendications 1 à 3» caractérisé en ce que sa capacité d'amortissement est égale à au moins 0,20 y0 de la capacité d'amortissement critique quand on fait vibrer ce disque à une fréquence comprise entre 1 000 et 14 000 Hz.