Brevet FR2141527A1 — publié le 19730126

La présente invention concerne un procédé de fabrication do corps composites,unissant un métal et une substance non mXtallique,dans lesquels les caractéristiques de résistance au frottement et d l'usure peuvent être modifiées dans de larges limites en choisissant des combinaisons appropriées de métaux et de matières non métalliques. I1 est d'une pratique courante en fonderie de produire des paliers du type coussinet en coulant un support, par exemple en bronze, puis en revêtant séparément l'alésage du support avec un métal approprié tel qu'un métal antifriction. I1 serait souhaitable, dans certaines applications, d'avoir un revêtement anti-friction principalement formé de graphite et pénétré par un métal de support qui constituerait une matrice pour les particules de graphite. On ne connait a l'heure actuelle aucun palier de cette nature,le principal obstacle résidant en ce que le revêtement, quelle que soit sa nature, doit nécessairement avoir une forme incurvée. A l'opposé des éléments "anti-friction" tels que des paliers, des joints et des organes similaires, il existe une forme d'éléments dits de "friction", tels que des garnitures de freins ou d'embrayages, qu'il n'a pas été possible de réaliser jusqu'S maintenant et qui comporte une matière particulaire sur sa face de friction, cette matière étant incorporée une matrice en fonte qui permet également d'obtenir un support constitué intégralement de métal, comme dans le cas d'un support métallique de palier. Il est évidemment possible de fabriquer par des techniques de la métallurgie des poudres une garniture de frein ou d'embrayage comportant une matrice en fer spongieux, mais non en fonte coulée, du fait des difficultés de moulage introduites par les particules de fonte. Le fer spongieux convient admirablement bien pour la métallurgie des poudres, du fait que la surface extérieure rugueuse des particules de fer,ainsi que leur aptitude a la déformation, permettent aux particules de s'entrelacer étroitement en cours de compression, d'une part,les unes avec les autres, et,d'autre part,avec les particules non métalliques plus lisses qui peuvent être incorportes. Par contre, des particules de fonte sont habituellement relativement lisses et fragiles, et par conséquent difficiles à assembler les unes avec les autres, en particulier avec des substances non-métalliques a surface lisse, en cours de compression et de frittage.La fonte est d'autre part plus dure et a une résistance mécanique et S l'usure plus grande que celle du fer spongieuxjet elle constitue par conséquent une matière plus intéressante que le fer spongieux S ces points de vue. Il est également connu de produire des éléments dans lesquels des particules non-métalliques sont dispersées dans toute une matrice en fonte ou en un autre métal suivant le procédé décrit dans le brevet U.S.A. nO 3.239.219. Mais, bien que ce procédé soit tout fait satisfaisant pour réaliser des pièces présentant certains profils structuraux, il n'est pas commodément applicable S la fairication d'une pièce qui doit comporter un support épais, constitué intégralement de métal, et un revêtement, formé d'un mélange d'un métal et d'une matière non métallique. Suivant l'invention, il est possible de fabriquer des éléments comportant un support formé intégrale ment d'un métal prédéterminé et un revêtement qui contient S la fois le métal et une substance non métallique, et de fabriquer des éléments présentant une courbure prononcéeibans lesquels une face est formée d'un mélange d'un métal et d'une substance non métallique. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de corps composites unissant un métal et une substance particulaire non métallique, procédé caractérisé en ce que la substance non métallique particulaire est agglomérée par un liant que l'onpyrolyse, eten ce u"on imprègne le corpsporeux ainsi obtenu par un métal en fusion dont l'excédent constitue un support pour le corps poreux ainsi imprégné. De façon plus détaillée, l'invention concerne un procédé pour assurer une infiltration de métai- dans la totalité d'un corps poreux formé au moins en partie d'une matière particulaire non métallique, tout en pourvoyant simultanément le corps d'un support en métal identique au métal d'infil tration-, procédé caractérisé en ce qu'on chauffe suffisamment la matière particulaire en vrac en présence d'un liant temporaire, décomposable thermiquement et reparti dans la matière, de manière à établir entre les particules, par pyrolyse de liant, une liaison qui réunit les particules sous forme d'une structure cohérente poreuse d'une épaisseur prédéterminée, en ce qu'on place la structure poreuse ainsi obtenue dans une cavité de moule ayant une profondeur supérieure a l'épaisseur du corps afin qu'une partie de cette cavité soit inoccupée, en ce qu'on assure l'infiltration complète du corps poreux placé dans la cavité de moule tout en remplissant simultanément la partie inoccupée de la cavité avec du métal en fusion, afin de produire une structure unifiée présentant une partie composite dense, correspondant au corps poreux,et présentant à la fois les propriétés du métal et de la matière particulaire,et un support métallique homogène d'une épaisseur correspondant a la profondeur de la partie inoccupée de la cavité du moule. L'invention sera mieux comprise grace & la description ci-après et aux dessins annexés représentant des exemples non limitatif s de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - La figure 1 est une vue en perspective d'un revêtement d'un palier, coupé une extrêmité - La figure 1A est une vue S échelle fortement agrandie montrant la structure interne poreuse du revêtement de la figure 1 - La figure 2 est une coupe d'un moule contenant le revêtement de la figure 1 - La figure 3 est une coupe du palier obtenu avec le moule de la figure 2 - La figure 4 est une coupe d'un autre type de revêtement - La figure 5 est une coupe d'un moule contenant le revêtement de la figure 4 - La figure 6 est une vue, en partie en coupe, de l'élément obtenu avec le moule de la figure 5. Sur la figure 3, on a représenté en coupe un palier 20,pourvu d'un support 21 en bronze et d'un revé- tement 22 en matière faible coefficient de frottement, le contour du palier étant simplifié et ayant des proportions légèrement exagérées. Cette figure représente seulement, à titre d'exemple, une des classes de pièces (palier) rentrant dans le cadre de l'invention. Suivant l'invention, le revêtement anti-friction 22 qui recouvre l'alésage du palier, peut être formé intégralement de par ticules de graphite incorporées & une matrice constituée du même métal que le support 21. Pour obtenir une telle structure, le revêtement 22, fig. 1, est initialement réalisé sous forme d'un pré-moulage relativement robuste et suffisamment résistant pour être manipulé en fonderie et placé dans le moule 25, fig. 2 Lors de la fabrication du pré-moulage, du graphite,sous forme de par ticules,est d'abord mélangé à un liant résineux dans le rapport d'environ 8 kg de graphite à 1,6 kg de liant, ce dernier étant de préférence une résine thermodurcissable ayant une bonne valeur de carbonisation, par exemple une résine de formaldéhyde de phénol à chaine droite, de l'alcool furfurylique, des aldéhydes furfuryliques, des phénols-furfuryls ou des mélanges de ces substances, sous la forme d'une poudre correspondant à ce qu'on appelle ltetage "B" (incomplètement cuite).Il est préférable d'utiliser une résine de phénol-furfuryl. Cependant, il est également possible suivant l'invention de mélanger la matière particulaire avec une résine sous forme liquide, de; revêtir chaque particule, puis de sécher les particules ainsi revêtues de manière que chaque particule soit enveloppée par sa propre couche de liant résineux, pour des raisons qui seront précisées dans la suite. Il est également S noter qu'on peut utiliser des liants inorganiques tels que des silicones, des silicates, des phosphates métalliques, etc.. .,puisque l'impératif fondamental dans cette phase de l'invention est simplement que le liant soit décomposable thermiquement, de manière å former par dépit pyrolytique une liaison entre les particules. Dans le cas de résines organiques ou de matières plastiques, la liaison est du type carboné ou graphitique, et elle produit les liaisons carbone-carbone entre les particules; dans le cas d'un liant inorganique, tel que du silicate de sodium, la liaison produite par le phénomène de pyrolyse est une liaison siliceuse. Dans tous les cas, il est préférable que les particules de graphite 26, fig. I et 1A, soient mélangées en présence d'une résine ae phenol-furfuryl 27, de manière que, lorsque le mélange est cuit comme cela sera décrit dans la suite, la structure résultante soit poreuse, fig. lA,et soit caractérisée par des liaisons carbone-carbone 28, fig. lA, reliant les particules de graphite 26. Les pores 27, fig. 1A, sont continus et reliés entre eux en permettant ainsi une infiltration intégrale du graphite. Une quantité mesurée du mélange de graphite et de particules de résines, dans les proportions mentionnées ci-dessus,est comprimée légèrement dans un moule de profil approprié,en vue d'obtenir un revêtement ou pré-moulage de palier présentant l'épaisseur nécessaire, puis le moule est transféré dans un four où il est soumis à une température d'environ 230OC pendant 2 heures, ce qui assure une cuisson partielle de la résine suffisante pour lier les particules de graphite,en produisant un corps homogène (fig. 1) qui n'a pas besoin d'être manipulé délicatement. Le corps résultant est assez dense et presque complètement dépourvu de porosité. La résine est ensuite graphitisée ou carbonisée, et le corps constituant le pré-moulage est rendu poreux par chauffage dans un four non-oxydant à une température d'environ 9800C pendant une heure. L'atmosphère non-oxydante peut être constituée d'azote ou bien le prdmoule,contenant la résine a graphitiser ou à carboniser, peut être enfermé hermétiquement dans une enveloppe en acier inoxydable, ce qui exclut l'oxygène. Après carbonisation du liant temporaire à 980 C pendant une heure, le pré-moulage est refroidi dans un four jusqu'au-dessous de 150 C.avant d'être exposé S- l'air, puis il est- transférédans un un moule 25 (fig. 2). Le moule 25 comprend un châssis supérieur 31 et un chassis inférieur 32. Le chassis inférieur 32 comporte une saillie 33 ayant le contour du pré-moule poreux et graphitisé 35, comme indiqué sur la figure 2. Le châssis supérieur 31 du moule est pourvu d'une cavité de coulée 40 ayant le contour et les dimensions du support 21 du palier 20, fig. 3, et le sommet du chassis supérieur est pourvu d'une ouverture classique 41 permettant de couler du métal en fusion dans la cavité 40. Dans le cas du palier 20, le métal utilisé est un bronze approprié et, pour obtenir une pénétration ou infiltration rapide et efficace du métal en fusion dans les pores du revêtement en graphite 35, on établit de préférence un vide ou une différence de pression à l'intérieur du moule. La structure résultante, fig. 3, est caractérisée par un support en bronze 21 et par un revêtement en graphite 22,de faible coefficient de frottement, qui est pénétré par le bronze constituant le support 21. Le bronze (ou le cuivre) possède des caracteristiques anti-friction et en conséquence il ne modifie que peu le faible coefficient de frottement du graphite L'invention peut également être utilisée pour produire des éléments de friction 50 (figure 6), -comportant une face de friction composite 51 et un support 52 solidaire du revêtement mais formé intégralement du métal qui a pénétré dans la face poreuse pendant le processus d'infiltration. On a représenté également sur la figure 4 un pré-moulage poreux 52A qui est d'abord fabriqué de la manière générale décrite plus haut, c'est-à-dire qu'un moule, de dimensions et de profils appropriés, est rempli du mélange de poudre, qui peut être constitué dans ce cas de poudres métalliques telles que du cuivre ou de l'étain en addition à du graphite, du carbure de silicium et du sulfure de molybdène,- pour donner différents degrés de frictions aux garnitures de frein ou d'embrayage. Ce prémoulage est ensuite placé dans un évidement ménagé dans-un châssis de moule 53 (figure 5). Le châssis du moule de la figure 5 comporte une cavité 55 dans laquelle du métal en fusion est introduit, de préférence sous une différence de pression, le métal fondu pénétrant intimement dans les pores du pré-moule et se solidifiant simultanément pour constituer le support 52. Il est évident que, comme indiqué sur les figures 3 et 5, le corps poreux, dans lequel on doit faire pénétrer le métal en fusion, ne remplit pas totalement la cavité du moule, mais a une épaisseur inférieure d'une valeur prédéterminée à la profondeur de la cavité de moule, afin qu'il subsiste dans la cavité une partie inoccupée qui est remplie intégralement par le métal en fusion, afin de constituer un support métallique homogène 21 ou 52 dont l'épaisseur correspond à la profondeur de la partie inoccupée de la cavité de moule. On va donner ci-après des exemples de mélanges de poudre d-estinés à former les pré-moulages des éléments de friction. TABLEAU 1 Exemple Cuivre Graphite Alumine Carbure Etain Bisulfulre Résine de de sili- de molyb- phénol cium dène furfuryl i - 36.4 - 36.4 - 7.3 20.0 2 - 40.0 40.0 - - - 20.0 3- - 26.7 26.7 - 26,7 20.0 4 40.0 20.0 20. - - - 20.0 5 32.0 16.0 t6.Q - 16.0 - 20.0 6 4o.o 20.0 20.0 - - - 20.0 Les poudres sont mélangées de façon homogène; les moules sont remplis de poudres en effectuant un léger compactage.Le moule rempli est cuit pendant une demi-heure à une température d'environ 2309C, de manière à faire durcir la résine; puis le pré-moulage résultant 52A, figure 4, (non poreux) est chauffé dans une atmosphère non-oxydante à une température d'environ 9800C pendant 1 heure, pour produire un pré-moulage résistant constitué par des poudres métalliques et non-métalliques liées par des ponts graphitisés ou carbonés. La porosité du pré-moulage est continue par suite du remplissage en vrac, de la production de gaz pendant la décomposition du liant temporaire et de la destruction partiel le (thermique) du liant résineux. Les dimensions de particules des constituants ne sont pas critiques et peuvent être sélectionnées sur la base de combinaisons connues. TABLEAU Il ANALYSE DE PRE-MOULAGES CUITS Cu Total A1203 SiC Sn MoS2 Poids Volume Densité Porosité C L en g en cm3 en g/cm3 en Exemple 1 - 54.50 - 40.67 - 6.75 164.4 159.1 1.03 56.3 Exemple 2 - 50.00 46.90 - - - 202.2 163.7 1.24 45.3 Exemple 3 - 35.00 30.87 - 28.81 - 199.8 152.0 1.30 42.6 Exemple 4 )*3.09-28.50 24.57 - - - 281.0 150.3 1.87 43.4 Exemple 5 30. 30.40 20.10 ~ 13.47 ~ 166.2 75.5. 2.20 37.0 Exemple 6 42.28 31.90 24.64 - - - 264.7 139.3 1.90 41.7 Après un léger sablage ou meulage des surfaces du pré-moulage pour former des pores ouverts, le prémoulage est placé dans le moule de la figure 5 de manière que le métal en fusion pénètre par infiltration (sous vide ou sous une pression différentielle) e, en même temps, le support 51 (figure 6) est produit avec l'épaisseur désirée. Le métal d'infiltration choisi dans l'exemple 1 a été de la fonte; pour les exemples 2, 4 et 6, on a utilisé un mélange de 93 % de cuivre et de 6,5 % d'étain, et pour les exemples 3 et 5 seulement du cuivre. On peut obtenir pour les pièces fabriquées suivant le procédé de l'invention des propriétés physiques inhabituelles par comparaison avec les mêmes pièces produites-par des procédés classiques de la métallurgie des poudres. La pièce considérée est une garniture d'embrayage å sec pour camions et tracteurs. Dans le tableau III indiqué ci-dessous, la pièce XAs qui est une garniture d'embrayage a sec, a été fabriquée par le procédé de production de pré-moulage décrit plus haut, l'infiltration étant faite a l'aide de fonte,et la pièce contenant 71% de fonte, 19% de particules de graphite et 10% de particules de mullite,'qui est une substance minérales! base de silice et d'alumine.La pièce 8A correspond également à une garniture d'embrayage, géométriquement et dimentionnellement identique S la première et présentant la même composition, excepté qu'elle contient 71% de particules de fer spongieux, 19% de particules de graphite et 10% de particules de mullite. TABLEAU III xA 8A 1) Dureté (Rockwell) 87 5O-8O 2) Charge de rupture transversale (kg/mm2) 5 2,8 3) Coefficient de frottement 0.456 0.437 4) Usure en mm o.025 0.05 I1 est clair que l'invention permet d'obtenir des pièces plus dures et plus résistantes que par les techniques de la métallurgie des poudres. I1 est également important de noter å cet égard que la pièce 8A correspond a une production industrielle très satisfaisante d'une garniture d'embrayage à sec,qui est utilisable dans l'industrie pour de nombreuses applications. Les particules constituant le prémoulage sont choisies en fonction de propriétés physiques ou mécaniques. Ainsi, dans le cas d'un revêtement de palier du type décrit plus haut, le graphite est choisi pour son faible coefficient de frottement, mais on peut également employer d'autres particules non-metalliques de faible coefficient de frottement. Dans le cas d'un palier, le métal d'infiltration peut être un alliage anti-friction tel que du bronze,ou bien une matière. présentant un coefficient de frottement inférieur à celui de métaux ferreux. Du fait que l'invention permet le revêtement de graphite par un métal, il est possible maintenant d'utiliser de l'aluminium ou du fer comme métal formant le support. D'autre part, dans le cas de pièces de friction telles que des garnitures de frein ou d'embrayage, les particules constituant le pré-moulage sont choisies en fonction de leur coefficient de frottement élevé et de leur faible usure, par exemple des particules de silice, de carbure de silicium, de substances minérales à base d'alumine et de silice (par exemple de la mullite et de la sillimanite), et le métal d'infiltration peut être un métal non-ferreux ou ferreux; en fait, on peut utiliser des particules métalliques dans la garniture de friction. Bien que l'invention ait été décrite principalement en référence a des pièces particulières-où le frottement joue un grand rible, il va de soi que l'invention n'est pas limitée a de telles applications et qu'en fait des considérations d'usure, de dureté ou de ténacité peuvent constituer également des critères de pièces produites par le procédé de l'invention. L'invention est également utilisable pour la fabrication de plaques de centrage et de plaques de friction,comportant une partie en bronze au manganèse et une autre partie en graphite pénétré par du bronze au manganèse; l'invention est également applicable a la production de rondelles de butée et de paliers, qui comportent ordinairement une face plane anti-friction ou d'usure. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée al'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, & partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication de corps composites formés d'un métal et d'une substance particulaire non métallique, procédé caractérisé en ce qu'on agglomère la substance particulaire non métallique avec un liant et on pyrolyse le mélange pour obtenir un corps poreux dont les pores sont continus et communiquent entre elles, on dispose ce corps poreux dans un moule ayant des dimensions supérieures à celles du corps poreux, on imprègne le corps poreux d'un métal, en quantité supérieure à celle-nécessaire pour la seule imprégnation, pour former un support métallique pour le corps poreux. 20) Procédé de fabrication de corps composites par infiltration de métal dans la totalité d'un corps poreux, selon la revendication 1, procédé caractérisé en ce qu'on chauffe suffisamment la matière particulaire en vrac en présence d'un liant temporaire, décomposable thermiquement et réparti dans la matière, de manière à établir entre les particules, par pyrolyse du liant, une liaison qui réunit les particules sous forme d'une structure cohérente poreuse d'une épaisseur prédéterminée, les pores étant continues et communiquant entre elles, en ce qu'on place la structure poreuse ainsi obtenue dans une cavité de moule ayant une profondeur supérieure à l'épaisseur du corps afin qu'unie partie de cette cavité soit inoccupée, -en ce qu'on assure l'infiltration complète du corps poreux placé dans la cavité de moule tout en remplissant simultanément la partie inoccupée de la cavité avec du métal en fusion, afin de produire une structure unifiée présentant une partie composite dense, correspondant au corps poreux, et présentant à la fois les propriétés du métal et de la matière particulaire, et un support métallique homogène d'une épaisseur correspondant à la profondeur de la partie inoccupée de la cavité du moule. 30) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière particulaire est du graphite, et en ce que la structure poreuse a la forme d'un revêtement de palier ou d'un élément de friction. 4o) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière non-métallique est du graphite, et en ce que le métal d'infiltration et le métal du support sont constitués par de la fonte. 50) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps poreux dans lequel le métal est infiltré a un profil incurvé, et en ce qu'il est prévu dans le moule un support complémentaire. 60) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière particulaire est choisie dans le groupe comprenant des poudres mé métalliques, du carbure de silicium, du bisulfure de molybdène, de l'alumine, du graphite et des substance minérales à base d'alumine et de silicate, et en ce que le métal d'infiltration est choisi dans le groupe comprenant l'aluminium, le bronze, le cuivre, des métaux ferreux et leurs alliages. 70) Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la substance non-métallique est du graphite et en ce que le métal d'infiltration formant également le support, est du bronze. 80) Corps composite composé de métal et deune substance particulaire non métallique, obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, corps caractérisé en ce quVil est constitué d'une partie composite formée par une substance particulaire à pores continues et communiquant, ces pores étant remplies de métal d'infiltration, recouvrant au moins une partie de la couche composite pour constituer un support. 90)Produit composite selon la revendication 8, caractérisé en ce que la substance non métallique est du graphite et le métal d'infiltration formant également le support, est du bronze.