Brevet FR2006429A1 — publié le 19691226

La présente invention concerne des éléments de palier dans ou sur lesquels peuvent reposer, aussi bien .à friction de glissement qu'à friction de roulement, des pièces de construction, notamment de machines. 5 La qualité de ce genre d'éléments est principalement déterminée par l'interaction mécanique des surfaces actives de ces éléments et celles des pièces de construction associées à ces éléments, c'est-à-dire la friction, l'adhésion et l'usure. Ces paramètres mécaniques sont influencés à leur tour par les 10 différentes propriétés des matériaux des pièces en mouvement. Parmi ces propriétés, la déformation plastique et élastique, la conductibilité thermique et la résistance aux agents chimiques jouent un rôle important. Comme matériaux pour éléments de palier devant répon-15 dre à des critères très sévères de fonctionnement, on a déjà utilisé des minéraux et des matériaux synthétiques très durs, par exemple le diamant, le saphir, l'agate et des carbures de métaux de transition. Lorsque des éléments de palier, constitués par de tels 20 matériaux durs, sont combinés avec des pièces de construction, en particulier réalisées en matériaux moins durs, par exemple des métaux, il est évident qu'une faible rugosité des surfaces actives est importante pour éviter l'usure. Toutefois, les possibilités d'emploi de ces matériaux 25 sont limitées. D'une part, le prix élevé de ces matériaux limite leur emploi à des éléments de palier de dimensions minimales, et d'autre part il est souwent difficile de donner à ces éléments la forme voulue. L'invention remédie à ces inconvénients. Par un choix 30 judicieux de matériaux, l'invention permet de constituer des éléments de palier susceptibles d'être utilisés, même sans lubrifiants, dans une gamme étendue de paliers pouvant avoir de grandes dimensions et être soumis à de fortes charges. L'invention concerne des éléments de palier qui sont 35 caractérisés en ce qu'au moins leurs parties actives sont réalisées en carbure de silicium cohérent, obtenu par voie pyrolytique. Par "carbure de silicium pyrolytique", il y a lieu d'entendre ici tout corps cohérent en carbure de silicium, dont au moins un des constituants (le silicium et le carbone) est 40 prélevé à partir d'une phase gazeuse. 69 11713 2 2006429 Pour former par voie pyrolytique des corps en carbure de silicium, on connaît plusieurs procédés, à savoir : 1. La silicatisation de corps en graphite à l'aide d'un composé vôlatil du silicium, par exemple de la vapeur d'oxyde 5 Se silicium, formée en réduisant par l'hydrogène du dioxyde de silicium. 2. La carburation de corps en silicium dans une atmosphère contenant m composé volatil du carbone, par exemple du propane. 10 3« La séparation sur un substrat d'un mélange gazoux contenant à la fois du carbone et du silicium, par exemple une atmosphère contenant un silane à teneur de carbone, par exemple un chlorosilane de méthyle ou un mélange d'un hydrocarbure avec un silane. 15 4. La séparation par sublimation sur un substrat. Les éléments de palier réalisés en carbure de silicium formé par voie pyrolytique présentent l'avantage important de pouvoir être utilisés en combinaison avec des pièces de construction constituées par tous matériaux appropriés, y compris le 20 carbure de silicium lui-même, ainsi que d'autres minéraux et matériaux synthétiques durs connus. Ceci est en relation avec la dureté particulièrement élevée et la résistance élevée à l'usure que présente le carbure de silicium pyrolytique cohérent, en particulier lorsque les di= 25 mensions des cristallites peuvent être réglées à l'aide de paramètres intervenant pour la formation de carbure de silicium pyrolytique cohérent. Parmi les paramètres exerçant une certaine influence, on peut citer par exemple le rapport silicium-carbone, les tensions partielles de ces substances ou de leurs composés 30 dans l'atmosphère gazeuse, la tension totale de l'atmosphère, la vitesse d'écoulement du gaz et les températures utilisées qui sont comprises entre 1500 et 2S00°C. Par ailleurs, la formation par voie pyrolytique présente l'avantage que les éléments de palier peuvent être obte-35 nus directement dans leur forme et dimensions pratiquement exactes, de sorte que l'usinage ultérieur est réduit au minimum» La faible déformation plastique et élastique des matériaux dans une large gamme de températures constitue également un avantage, de même que la conductibilité thermique 40 élevée et la forte résistance aux agents chimiques, de sorte que 69 11713 3 2006429 les matériaux peuvent être soumis à des charges et températures élevées dans des milieux corrosifs. On a déjà signalé ci-dessus que pour obtenir une résistance convenable à 1'usure, il importe seulement que les 5 faces actives des éléments soient réalisées en carbure de silicium pyrolytique cohérent. Dans de nombreux cas, on peut, pour cette raison, conserver une partie du substrat sur lequel le carbure de silicium a été formé, alors qu'au cours de réactions donnant lieu à une conversion de carbone ou de silicium en car-10 bure de silicium, il n'est pas nécessaire d'effectuer une conversion complète. Il est possible aussi d'obtenir des éléments de palier en soudant ou en collant des morceaux de carbure de silicium sur un support. 15 L'invention est expliquée ci-après plus en détail à l'aide de quelques exemples de réalisation et des dessins annexés. Les figures 1, 2-3* 4, 5 et 6-7 se rapportent respectivement au premier, au deuxième, au troisième, au quatrième et au cinquième exemple de réalisation. 20 Premier exemple Le carbure de silicium pyrolytique cohérent est déposé, par un courant d'hydrogène comportant 1 % de CH^SiHClg et débité à raison de 5 litres par minute, sur un substrat en carbone à une température de 1500°C. On découpe ensuite des petits blocs 1 25 de ce carbure mesurant J x 2 x 2 ■ (voir figure 1) et utilisés comme palier d'écartement entre un rouleau de cuivre électroly-tique 2 dont le diamètre est de 145 mm et une plaque d'acier 3» Du côté où ils sont soumis à la charge, les blocs 1 sont polis à l'aide de poudres d'oxyde d'aluminium jusqu'à ce que les faces 30 traitées ne présentent plus que des irrégularités mesurant moins de 0,1 (j. Le rouleau 2 est soumis à une charge de 10 kgf exercée dans l'air atmosphérique, et est animé d'une vitesse de rotation de 45 tours par minute tout en étant déplacé longitudinalement 35 à raison de 22 u par révolution. Aucune usure n'a pu être mesurée après trois mois de service (précision de mesure : 0,5 u). Deuxième exemple Un arbre 4 en acier de diamètre égal à 0,5 mm, se terminant par une pointe 5 caractérisée par un angle de 60° 40 et un rayon de courbure r^ de 0,09 mm, repose dans un morceau 11713 4 2006429 de carbure de silicium 6, sublimé à 2600°C et muni d'un évidem^nt conique 7 caractérisé par un angle a2 de 80° et un rayon de courbure r^ de 0,12 mm (voir les figures 2 et 3)- Une soudure " à l'or additionné de 5 % de tantale, relie le carbure de siliaivs 5 6 à un support d'acier 9» La surface active dans 1'évidement 7 est soigneusement polie» L'arbre 4 étant soumis à une charge 1 gramme-force^ aucune usure n'a pu être mesurée après 6 mois de service à 200 révolutions par minute dans la crapaudine ai, ; formée. 10 Troisième exemple A ime température de 2200°C2 un cylindre en graphita de diamètre intérieur et de diamètre extérieur respectivement égaux à 20 et 24 mm est traité à la vapeur d'oxyde de silicium dégagée à 160Q°C par lin mélange pulvérulent d'oxyde de siliGi .. 15 et de carbone dans un courant d'hydrogène dont le débit est *r- 2 litres par minute. Après 20 heures, le graphite est transfr-, . en carbure de silicium pyrolytique sur une profondeur d'envi; :*n 1 mm. Une soudure 11 en alliage d'aluminium et de silicium (87 et 13 %) relie à un support 12 en acier inoxydable Tin 20 de carbure 10 de longueur 5 mm, intérieurement poli. L'ensemb". -est utilisé comme douille de palier contenant un arbre d'acia::-Après un service d'un mois dans l'air en absence de lubrifia,-.. la rotation de l'arbre à raison de 300 tours par minute n'a -donné lieu à une usure mesurable. 25 Quatrième exemple A une température de 1220cC, des sphérules de silj-;.^»™ de diamètre égal à 0,2 mm sont chauffées pendant 40 heures Qàuc du carbone pulvérulent dans un courant d'argon dont le débit de 1 litre par minute, le silicium étant ainsi complètement 30 converti en carbure de silicium. Dans une atmosphère d'argon l'intérieur d'une enceinte entourée de carbure de silicium, ■... sphérules sont ensuite cristallisées dans le système hexagcwr\ pendant 1 heure à 2200°C. A l'intérieur d'un récipient cylindrique muni d'urf 35 revêtement intérieur de carbure de bore„ les sphérules obtenues sont animées d'un mouvement tournant obtenu par l'action d'*ï*> courant d'air entrant latéralement dans le récipient et évac • par un orifice d'échappement pratiqué dans le fond du récipient -La surface des sphérules est ainsi meulée et polie. Après a"-40 été traitées ainsi jusqu'à présenter les dimensions exactes, BAD ORIGINE 69 11713 5 2006429 sphérules traversent l'échappement qui est muni d'un orifice de dimensions précises, et sortent ainsi du récipient. Les billes calibrées ainsi obtenues peuvent être utilisées dans un roulement à billes normal en acier. 5 Comme le montre la figure 5, les billes 14 peuvent être combinées avec deux plaques 15, 16 en carbure de silicium, obtenues par exemple par voie pyrolytique de la même façon que les billes 14 et munies de gorges polies appropriées 17, 18, de sorte qu'on obtient ainsi un palier à billes de haute qualité. 10 Cinquième exemple Un disque 19 en carbure de silicium pyrolytique, obtenu de la façon décrite dans le premier exemple, présente un diamètre de 30 mm et une épaisseur de 5 mm (voir la figure 6). Un autre disque 20, lui aussi en carbure de silicium pyrolytique pouvant 15 être obtenu de la même façon et présentant les mêmes dimensions que le disque 19, est muni de rainures en forme de spirale 21 dont la profondeur est de 20 |j. Ces rainures présentent par exemple une configuration en arête de poisson, illustrée sur la figure 7• Une soudure, formée par de l'or additionné de 5 % de 20 tantale, relie le disque 20 à un arbre d'acier 22 de diamètre 15 mm. Le palier à rainures spiralées ainsi obtenu fonctionne à une vitesse de rotation de 50.000 tours par minute et fait alors office de palier lubrifié au gaz, ce gaz étant de préfé-25 rence de l'air. Lors du démarrage et de l'arrêt du palier, les deux faces coopérantes du palier entrent en contact. Ce palier n'accuse pas d'usure mesurable même dans le cas d'un fonctionnement intermittent très souvent répété. 69 11713 6 2006429 REVENDICATIONS 1.- Eléments de palier caractérisés en ce qu'au moins leurs parties actives sont réalisées en carbure de silicium cohérent, obtenu par voie pyrolytique. 5 2.- Eléments de palier suivant la revendication 1, caractérisés en ce que les parties en carbure de silicium sont soudées ou cimentées sur un support. 3.- Eléments de palier suivant la revendication 1, caractérisés en ce que les parties de carbure de siliciuat sont 10 parties intégrantes de ces éléments sur lesquels ce carbure a été formé.