Brevet FR2230898A1 — publié le 19741220

La présente invention concerne un élément de friction pour freins et embrayages et un procédé de fabrication d'un tel élément. De façon plus particulière, l'invention concerne des éléments de friction obtenus à partir de composants constitués par des poudres métalliques. Les éléments de friction sous forme de segments de frein ou d'embrayage peuvent se réaliser à partir de poudres mé métalliques. De façon caractéristique, on place la poudre dans un moule et on la presse sous une pression suffisante pour que le produit compacté ait une tenue propre. Après cela, on extrait le produit du moule et on le fritte. Le produit résultant peut être une bague en une seule pièce stétendant sur 3600 angulaires, comme pour les garnitures d'embrayage.Il peut, également, s'agir d'un segment d'anneau correspondant à un angle de 20 à 400. B'anneau peut être brasé sur un support en acier, circulaire ou sur un segment que l'on assemble sur un support circulaire avec d'autres segments pour former un anneau de 3600, comme garniture de frein. Le matériau de frottement peut notre prévu que sur un côté du support, ou encore sur les deux côtés. Dans la technique du freinage, on conneit des phénomènes de broutage. Pour diverses raisons qui ne sont pas clairement expliquées, l'ensemble du frein commence littéralement à vibrer ou à brouter lorsque le véhicule présente une masse importante (par exemple dans le cas d'avions à moteurs multiples), ce phénomène apparaissant à la fin du freinage. Sur un dynamomètre cela correspond à une augmentation brusque du couple enregistré pendant le mouvement de freinage.Le broutage crée des vibrations dans le frein, ce qui se traduit par des contraintes sur le train d'atterrissage de l'a avions La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne, à cet effet, un procédé caractérisé en ce qu'on augmente la densité des éléments de frottement, à base de poudre métallique, cette augmentation de densité étant effectuée pendant que ces produits sont encore chauds, immédiatement à la sortie du four de frittage. Le produit compacté et fritté peut, également, etre refroidi sous une atmosphère évitant l'oxydation, puis être stocké de façon protégée, réchauffé et à ce moment, on peut augmenter sa densité lorsque le produit est suffisamment chaud. Le produit compacté peut, également, être refroidi dans une atmosphère évitant l'oxydation, stocké, puis réchauffé. De plus, la résistance à l'usure d'un tel élément de friction à base de poudre métallique et les vibrations du train d'atterrissage peuvent être diminuées en augmentant la densité de l'élément de friction pendant que celui-ci est encore chaud. Il se produit une liaison métallique entre le fond du produit compacté servant à la friction et la face interne de la coupelle d'acier0 La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels s - la figure 1 est une vue en plan d'une coupelle de support pour un matériau de frottements - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe analogue à la figure 2 montrant le matériau en poudre, compacté dans la coupelle de support, - la figure 4 est une vue en coupe d'une presse de forge avec interposition de la coupelle de friction, - les figures 5, 5A et 53 sont des courbes caractéristiques. La présente invention s'applique, soit à un matériau à base de fer ou à base de cuivre, dans le cadre de compositions formant des poudres pour des éléments de friction. L'exemple 1 concerne une formule préférentielle à base de cuivre et l'exemple 2 une formule préférentielle à base de fer. EXEMPLE 1 Composants Parties pondérales Plages (mode de réalisation préférentiel) Cuivre 67 55-70 Fer 12 8-12 Graphite 9 4-12 Sillimanite 4 1- 5 MoS2 4 1- 5 Forsterite 4 1- 5 SXEMPIS 2 Composants Parties pondérales Plage s (mode de réalisation préférentiel) Fer 78 79-82 Graphite 10 8-12 MoS 2 1- 5 Car ure de Silicium 10 8-12 Les produits métalliques peuvent avoir une granulométrie allant jusqu'à 325 mailles; les produits non métall4- ques peuvent avoir une granulomètrie comprise entre 20 et 80 mailles. Les composants métalliques à base de cuivre et de fer donnent la résistance et la solidité nécessaires.Les composants non méta- liques (graphite, carbure de silicium, forsterite, sillimanite, NoS2) augmentent la résistance à l'usure et modifient avantageusement le coefficient de frottement par un engagement lisse, optimal avec lt- organe opposé de l'élément de frottement. A l'exception de la phase d'augmentation de densité du produit compacté, fritté, lorsque ce produit est encore chaud (à la sortie du four) on connatt bien la fabrication d'éléments de frottement métalliques, en poudre, en utilisant l'un des exemples ci-dessus (brevet canadien 604 776). On ajoute une quantité déterminée de mélange en poudre- dans la cavité du moule et on compacte à une pression élevée pour former un compact dit "vert" suffisamment solide pour conserver la forme mais assez fragile dans la mesure où les poudres qui le composent n'ont pas encore été frittées.Dans le cas d'un matériau à base de cuivre, la pression de compactage est de l'ordre de 1400 à 2100 kg/cm2, alors que pour un-matériau à base de fer, la pression de compactage est de l'ordre de 2100 à 2800 kg/ cm2 suivant la quantité de poudre de fer par rapport à la quantité totale de poudre. Les figures 1 et 2 représentent une coupelle en acier 10 de type connu servant à réaliser des plaquettes de frein pour avions. Le fond de la coupelle selon l'invention peut être recouvert de cuivre ou garni de toute autre façon de cuivre, dans un but que l'on expliquera. On met une quantité déterminée de matériau en poudre dans la cavité du moule (non représentée) dont lsintérieur a une section transversale identique à l'intérieur de la coupelle 100 Le matériau en poudre de la cavité du moule est compacté par un plongeur en exerçant une pression correspondant aux valeurs ci-dessus. Le produit ainsi compacté est extrait du moule, puis on fritte ce produit compacté 15 pendant pratiquement 1 heure dans un four, et dans tous les cas pendant un temps suffisant pour obtenir un produit ayant une résistance optimale comme cela est bien connu. La température de frittage est quelque peu inférieure au point de fusion du composant métallique ayant le point de fusion le plus bas. Dans le cas-d'un matériau à base de cuivre, la température de frittage est de l'ordre de 8?00C,; dans le cas d'un matériau à base de fer, cette température est de 11 ordre de 980 C. Le produit compacté 15, chaud, est amené dans la coupelle 10 (figure 3). Le produit compacté fritté, 15 (figure 3) a aune épaisseur supérieure à la profondeur de la cavité de la coupelle, de sorte que la surface libre du produit compacté 15 est au-dessus du bord libre de la coupelle 10. Selon l'invention, on compacte le produit i la sortie du four de frittage, lorsque ce produit est encore chaud. Cela peut se faire en plaçant l'ensemble 16 (figure 3) sur la thaque de moule 19 d'une presse hydraulrique 20 (figure 4). La presse 20 comporte un plongeur 21. Ce plongeur 21 est muni d'nne cavité 22 ayant une paroi intérieure conique 24. Les plus grandes dimensions de la cavité 22 correspondent à l'ensemble 16. Lorsque le plongeur ou la tige de piston 20 est abaissé, les cotés de la coupelle sont déformés ou sont ramenés vers l'intérieur pour enserrer le produit compacté. La pression appliquée par le plongeur est de l'ordre d'au moins 1260 kg/cm2, mais cette pression peut même aller jusqu'à 2 362 kg/cm2.Pendant ce compactage, on diminue de l'ordre de 25 l'épaisseur du produit compacté, et qui subsiste aa-dessus de la lèvre de la coupelle. il est à remarquer que l'embase de cuivre ou l'embase de fer permettent tous deux d'établir une liaison msstal- lique avec le fond de la coupelle pendant le compactage. Le fond de la coupelle d'acier peut être revêtu de cuivre pour faciliter cette liaison dans le cas d'un produit compacté à base de cuivre. oute- fois, le revêtement de cuivre n'est pas toujours nécessaire lorsqu' il y a un produit à base de fer. Comme-indiqué ci-dessous, on améliore le réohl- tat en augmentant la densité du produit fritté lorsque ce produit est encore chaud. L'expression "produit chauds signifie que la pression de densification (par exemple 1890 kg/cm2 pendant 10 secondes) doit être exercée avant que la température du produit fritté ne iiie soit abaissée en dessous de sa température de recristallisation. Cette température est, par exemple, de l'ordre de 482 C dans le cas d'un matériau à base de cuivre. Si le produit compacté se refroXd t en-dessous de sa température de recristallisation, la pression que l'on peut appliquer est trop faible pour avoir une influence qel- conque; Si la pression est augmentée jusqu'à une valeur de l'ordre de 6 300 kg/cm2, cela correspond à ce qui se pratique dans la technique du "coin froid' connue dans l'industrie9 technique selon laquelle le produit compacté, froid, après frittage, est parfois for gé avec une pression de 11 ordre de 5 300 kg/cm2 pour être amené à ses dimensions définitives et ne former qu'un seul bloc. Ainsi, l'invention se distingue de la mise en forme à froid. En premier lieu, cette mise en forme est faite à une température inférieure à la température de recristallisation, alors que selon le procédé de l'invention, on travaille au dessus de la température de recristallisation. En second lieu, la mise en forme à froid nécessite des pressions très élevées alors que, selon l'invention, il est inutile de passer à des pressions supérieures à 2 360 kg/om2, On ne peut donner aucune limite précise pour la pression à appliquer; cette pression dépend quelaue peu de la rapidité avec laquelle cette pression est exercée après le frittage ou le réchauffage, ou encore du fait que le produit compacté est à base de cuivre ou de fer, et encore suivant la proportion des produits métalliques et des produits non métalliques du mélange. Les figures 5, 5A et 53 sont des courbes caractéristiques de matériau subissant des essais au dynamomètre. L'axe horizontal représente le temps et l'axe vertical représente le cou ple. lies courbes caractéristiques telles que celles des figures cidessus correspondent à celles utilisées par les plus grands fabricants de freins pour avions, dans le but de déterminer et de choisir les matériaux de friction. Les caractéristiques de vibration sont indiquées par la forme ou le contour d'une courbe de couple en ce que lorsqu'- on augmente le couple trop rapidement pendant l'arr8t alors que la roue et le pneumatique tournent toujours à grande vitesse, il en ré- sulte un effort excessif et des vibrations à l'atterrissage (broutage du frein) avec un arrêt briltal, Chaque arrêt du dynamomètre va jusqu'à une pres- sion déterminée par la donnée correspondant à l'arr8t précédent, comme étant nécessaire pour le temps d'arr8t avec un couple moyen avantageux. Cette pression est maintenue constante tout en faisant varier le couple suivant le coefficient de frottement. Pour comparer les vibrations, on choisit les arrêts avec des temps égaux à plus ou moins une demiwseconde pour que les couples moyens soient comparables. On obtient un nombre de vibrations (couple maximum/minimum) en prenant un rapport de couple pendant une seconde avant la fin de l'arret (maximum) et le divisant par le couple minimum en un point quelconque pendant 1' arrt. Plus le nombre est élevé et plus il indique de vibrations. Les figures 5, SA et 53 correspondant exactement au même matériau obtenu de la même façon et essayé de la même façon, avec les exceptions suivantes - la figure 5 représente les caractéristiques dynamomètriques d'un matériau de friction à base de poudre métalli- que (exemple 1) dans le cas d'une augmentation de densité à chaud comme indiqué ci-dessus, - la figure SA représente la caractéristique du même matériau sans aucune augmentation de densité, obtenue de n'importe quelle façon, après frittage, - la figure 53 représente la caractéristique du même matériau dont on a augmenté la densité à froid, c'est-à-dire que l'on a mis en forme à froid, à une température inférieure à la température de recristallisation, et en utilisant une pression de 6 300 kg/cm2. lie rapport max/min peut être pris comme un indice du broutage. Plus ce rapport est élevé et plus le broutage est élevé, ce qui correspond à d'autant plus de vibrations. La valeur seule du rapport permet d'évaluer les courbes des figures 5, SA et 539 les rapports max/min correspondent respectivement à 2,0, 2t8 et 2,37 et on voit immédiatement que le matériau traité selon la présente invention (figure SA) présente des caractéristiques notablement supérieures à celles des deux autres matériaux, c'est-à-dire qu'il y a moins de contraintes s'exerçant sur les éléments du train d'atterrissage. il est également à remarquer que des matériaux traités suivant l'invention présentent une pente de couple TS, réduite (figure 5) à la fin de lfarrets ce qui caractérise des vibrations moindres. Comme indiqué ci-dessus, la préférence donnée par les essais pratiques correspond au matériau à base de cuivre, comme cela résulte des données dynamomètriques selon les figures 5, SA, 5B. On obtient des résultats analogues avec un mélange de poudre à base de fer, dans beaucoup d'applications industrielles. Les proportions ont été déterminées par des essais de fabrication, en fonction des exigences pratiques. On a de multiples possibilités dans le cadre de la teneur en produit non métallique. On peut déter miner de façon optimale le mélange en fonce on des exigences de 1' utilisateur, et cela directement suivant les caractéristiques physJZ ques ne concernant pas des phénomènes métallurgiques ou chimiques. La réduction du broutage du frein est un résultat significatif; néanmoins, on a constaté des anéliorations supplémentaires notamment l'augmentation du temps d'utilisation du matériau à base de cuivre qui permet sensiblement 1000 arrêts de plus et ne présente aucune diminution significative de frottement à la fin d'un essai TRO d'avion (interdiction de décollage)* lie mode de réalisation pratique de l'invention dans un frein ou un embrayage est analogue à ce qui est décrit dans le brevet US 2 999 564. On peut refroidir le produit compacté, initialement fritté, le stocker puis le réchauffer en vue de sa compression. Dans certains cas, il peut être intéressant, mais non nécessaire, d'utiliser une coupelle pour recevoir le produit compacté. Comme in diqué, un produit compacté à base de fer (produit ferreux) ne nécessite pas que le fond de la coupelle d'acier soit revêtu de cuivre, ce qui signifie que l'on obtient nécessairement une liaison métallurgique ferreuse-ferreuse-ferreuse. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R EV E N D I C A T I O N $ 1.- Procédé de fabrication d'éléments de frictions pour freins et embrayages à partir d'un produit métallique en poudre1 procédé selon lequel on compacte tout d'abord la poudre pour former un produit solides puis on fritte ce produit, procédé caractérisé en ce qu'on exerce une pression de ltordre de 2 360 kg/cm2 Sur le produit fritté, pendant que celui-ci est encore chaud et avant que sa température ne soit devenue inférieure à la température de recristallisation. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit compacté est à base de cuivre et on exerce la pression après l'avoir mis dans une coupelle d'acier ayant un fond revêtu de cuivre. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit compacte est un produit à base de fer et lorsqu'on applique la pression sur ce produit compacté, encore chauds on utilise une coupelle d'acier et on réalise une liaison métallurgique entre le produit compacte et le fond de la coupelle. 4.- Elément de friction notamment pour freins et embrayages caractérisé en ce qu'il résulte de la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.