Brevet FR2292150A1 — publié le 19760618

L'invention concerne une composition de poudre et un procédé de fabrication de coussinets et de pièces de précision ainsi que les coussinets ainsi fabriqués et elle concerne notamment des paliers lisses fonctionnant à sec. Les paliers fonctionnant à sec sont recherchés partout dans la technique la où l'utilisation des huiles et des graisses est interdite. Ceci est par exemple le cas dans la technique du vide, dans l'industrie alimentaire, dans le transport des matériaux sensibles aux matières grasses tels que le papier, etc., mais aussi tout simplement lorsque l'on souhaite avoir un palier n'ayant pas besoin d'entretien. Ces paliers sont fabriqués par divers procédés. On connais des procédés de fabrication de paliers lisses aussi bien sous forme compacte que sous forme poreuse. Les propriétés de fonctionnement à sec sont ici limitées. En l'absence d'un film d'huile de séparation, il se produit rapidement un enlèvement de matière sur au moins l'une des deux pièces en contact de glissement. Pour améliorer ces paliers, on introduit souvent quelques pour cents d'additifs de graissage à sec tels que du graphite ou du sulfure de molybdène. Pour fabriquer ces paliers, on fait souvent appel à la métallurgie des poudres. Le métal est alors9 sous forme de poudre, finement mélangé avec l'agent de lubrification en sec se trouvant également sous forme de poudre, le plus souvent du graphite. Dans une deuxième étape, le mélange est moulé dans des matrices en ébauches encore sensibles au choc et, dans une troisième étape, on forme par frittage à chaud un objet retenant dans une large mesure les formes données par le moule. Comme quatrième étape peut encore intervenir le calibrage sous la forme d'une compression supplémentaire, afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques, mais surtout pour augmenter la précision des mesures. Cette façon de procéder entraîne les avantages d'une précision élevée des mesures des paliers, la suppression d'un usinage ultérieur et la possibilité de fabriquer rationnellement un grand nombre de pièces. Ccs matériaux sont cités dans les spécifications de l'Association Technique Allemande de la Métallurgie des Poudres9 Schwelm sous les désignations "Sint H 51" "Sint H52", "Sint H 53" et 'Sint H 54' et suivant ces spécifications, ils contiennent jusquà 8s5 % en poids de graphite et jusqutà 6 % en poids de plomb comme agents de lubrification à sec. Néanmoins, les propriétés de glissement de ces paliers sont encore insuffisantes dans de nombreux cas. Dans quelques expériences on a par exemple, pour une compo sition analogue au "Sint H 53" à une vitesse de glissement de 8 cm/seconde et pour une pression radiale superficielle moyenne de 10 kp/cm2 contre un arbre d'acier trempé ayant un poli de 0,7 micron de profondeur9 déterminé une usure de 40 microns après un temps de fonctionnement de 300 heures. I1 est également connu de fabriquer des paliers de matière plastique. Ceci se fait principalement par le procédé dtinjection. De tels paliers présentent malheureux sement des défauts importants. Le matériau de base est très mou, de telle sorte qu'il commence à fluer sous la pression de l'arbre. En outre, le coefficient de dilatation thermique est plus élevé que celui des métaux d'au moins un facteur 10, ce qui conduit à des variations de mesures considérables lorsque la température varie. La conductibilité calorifique de ces paliers est faible, de telle sorte qu'ils ont facilement tendance à éprouver des surchauffes, ce qui augmente encore les difficultés citées. Pour remédier à ce mauvais état de choses, on a souvent ajouté des charges aux matières plastiques. Un palier lisse de ce genre, dont la matrice en matière plastique consiste en polytétrafluoréthylène et auquel on ajoute comme charge du bronze et du graphite est cité comme convenant particulièrement au fonctionnement à sec. Dans les memes conditions de vitesse, de pression et de poli de l'arbre que celles indiquées plus haut, on a pu observer une usure de 18 microns. Ce palier devrait actuellement refléter l'état optimum de la technique. Fhleureusement, les possibilités de précision dans la fabrication sont aussi limitées. Sans usinage ultérieur par rectifications on peut à peu près respecter le degré de tolérance 9-ISA suivant la norme DIN 7151. D'autre part, on échoue lorsque l'on essaie de calibrer ces paliers à cause du comportement élastique des matières plastiques qui reprennent leur forme initiale lorsqu'une force extérieure cesse de s'exercer sur elles. Pour toutes ces raisons les paliers en matières thermoplastiques nqont jusqu à maintenant réussi à s'imposer que lorsqu'il s'agissait de paliers pour lesquels la précision requise était faible ou de paliers fonctionnant à de très faibles vitesses de glissement. Cn connait aussi d'autres mélanges de poudres de métaux et de matières thermoplastiques. C'est ainsi que le brevet français NO 1 355 167 décrit un mélange de poudre fine d'argent et de polytétrafluoréthylène finement broyé et dégradé thermiquement. A la place de la poudre d'argent, on peut aussi employer de la poudre de cuivre. I1 est en outre proposé d'ajouter du Cd0 en poudre. Un mélange typique de cette nature contient 75 % en volume de polytétrafluoréthylène en poudre dégradé thermiquement et 5 R en volume de poudre de Cd0 et il sert, après moulage et frittage, à la confection de pièces conformées de glissement à sec. Ce mélange de poudres connu ne permet pas de réaliser des paliers fonctionnant à sec sur la seule indication de leurs propriétés techniques de glissement. C'est ainsi que, dans le cas cité ci-dessuss il n'est pas possible d'utiliser de la poudre de bronze au lieu de la poudre d'argent ou du polytétrafluoréthylène normal à longue chaîne à la place du polytétrafluoréthylène dégradé à courtes chaînes qui a été décrit. Tous les deux amélioreraient cependant les propriétés de'glissement. Les propriétés de glissement de paliers réalisés à partir des mélanges de poudres connus ne sont donc pas encore satisfaisantes. Un matériau convenable de palier fonc tionnant à sec pourrait donc être obtenu si lson réussissait à combiner les propriétés positives des métaux, à savoir leur conductibilité thermique élevée, leur résistance mécanique et leur ductilité en vue de l'obtention dune précision dimensionnelle élevée avec les propriétés positives des matières plastiques, à savoir les propriétés de glissement favorables et éventuellement leur bonne résistance chimique sans combiner en même temps les propriétés négatives des dieux groupes de matériaux. Quelques propositions dans ce sens se sont déjà fait connaître. C'est ainsi que9 dans la demande de brevet allemand publiée 1.6084135S 1 on part de surfaces métalliques poreuses et l'on propose de les imprégner dlune suspension de matières plastiques. Ce procédé ne donne pas de pièces d'une grande précision car on ne peut pas controler de façon satisfaisante l'épaisseur de la couche de matière plastique. En outre > la capacité de production de ce procédé est assez problématique lorsqu'il s'agit de fabriquer un grand nombre de pièces et il est tout au moins couteux. La DAS 1.065.182 décrit le remplissage de surfaces métalliques trouées par du plomb et de la matière plastique. Pour des raisons compréhensibles, on ne parvient pas ici à la fabrication de petites pièces finies de haute précision. Le brevet français NO 2.044.739 propose de fabriquer le matériau composite souhaité en laminant ensemble les matières premières convenables en rassemblant le produit laminé et en le soumettant de nouveau à un laminage supplémentaire. Ceci ne permet pas la fabrication de pièces conformées. Le brevet britannique NO 708.906 part également de l'idée de l'imprégnation dtun objet conformé poreux comprenant ici en outre l'application avec pression dsune feuille sur un corps poreux, ceci se faisant notamment à haute température. Cette méthode aussi est soumise à des limitations étroites du nombre,de la taille et de la précision des pièces réalisables. Le brevet français 1.355.167 déjà cité représente une amélioration par rapport aux propositions cidessus du fait qu'il propose de mélanger la poudre de métal et la poudre de matière plastique et de réaliser, à partir de cela, des objets conformés par moulage et par frittage. On ne peut cependant utiliser que des métaux se frittant à basse température tandis que l'on ne peut utiliser comme composant plastique que du polytétrafluoréthylène thermiquement dégradé. Ce dernier présente cependant, par rapport au polytétrafluoréthylène non dégradé thermiquement, des propriétés de glissement sensiblement plus défavorables. La demande de brevet allemand publiée N 1.955.082 décrit l'utilisation simultanée de chaleur et de pression. De cette façon, on peut abaisser la température de frittage de quelques métaux au point que, même aux températures de transformation des matières plastiquesX il se produit une consolidation significative de la partie métallique. Qe procédé semble malheureusement ne pas três bien convenir à la fabrication rationnelle d'un grand nombre de pièccs. Le but de l'invention est de créer un matériau composite à base d'un mélange de métal et de matière plastique permettant la fabrication rationnelle d'un grand nombre de pièces de précision par un procédé de métallurgie des poudres. La préparation par métallurgie des poudres d'un matériau composite métal-matières plastiques crée cependant des difficultés parce qu'il ne semble pas possible de fritter ensemble un métal quelconque et une matière thermoplastique quelconque étant donné que les températures de transformation des matières plastiques et les températures de frittage des métaux sont différentes. Si l'on applique une température convenant à la transformation de la fraction plastique, il ne se produit pas de consolidation notable de la fraction métal car la température est trop basse et aucun frittage na lieu.Si, par contre, l'on choisit des températures convenant au frittage de la portion métallique, la fraction plastique est alors soumise à ces températures à une décomposition thermique pratiquement complète. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de pièces de précision ou de coussinets et de paliers en métal et en matière plastique > destinés de préférence à autoriser le glissement à sec, caractérisé en ce que l'on mélange une poudre métallique constituée d'un composant fondant à température plus élevée et d'un composant fondant à une température plus basse avec une poudre de matière thermoplastique dont la température de décomposition se situe entre les points de fusion des deux composant s de la poudre métallique, on moule ensuite sous pression pour réaliser un corps conformé et on fritte à une température qui se situe au-dessus du point de fusion du composant métallique fondant le plus bas et en-dessous de la température de décomposition du composant plastique. De préférences on mélange 1 à 2 parties en volume de poudre métallique avec 2 à 1 parties en volume de poudre de matière plastique. Comme composant métallique fondant à température plus élevée on emploie de préférence le cuivre9 le fer, le nickel des alliages de ces métaux des mélanges de ces métaux ou du bronze. Comme composant fondant à température plus basse on emploie de préférence le cadmium le bismuth, l'antimoines le plombs lrétains des alliages de ces métaux9 des mélanges de ces métaux ou encore d'autres métaux ou alliages fondant à basse température. Comme matière thermoplastique, on emploie de préférence le polytétrafluoréthylèneg le polyéthylène téréphtalate, un polyamides un polyacétal 5 le polypropylène ou le polyéthylène. Chacun des deux constituants de la poudre métallique peut à son tour être lui-meme constitué de poudres de plusieurs métaux. I1 est alors important que les points de fusion des métaux formant chaque fois l'un des deux composants se situent, conformément à l'invention, au-dessus ou en-dessous de la température ou de la zone de température de décomposition de la matière plastique utilisée. C'est un des grands avantages de l invention qu'elle soit à peine limitée dans le choix des composants distincts. I1 n'y a besoin que de faire attention à adapter le point de fusion du composant métallique fondant à température plus basse à la température de décomposition de la matière plastique, mais ceci est possible dans de très larges limites étant donné que l'on peut aussi utiliser comme composant métallique à bas point de fusion le métal de Wood et le métal de Rose. Les mélanges de poudre suivant l'invention sont donc caractérisés en ce qu ils sont constitués de a) une poudre métallique fondant à température plus élevée, b) une poudre métallique fondant à température plus basse 5 c) une poudre de matière thermoplastique dont la température de décomposition se situe entre les points de fusion des deux poudres métalliquess etX le cas échéant. d) au moins un agent de lubrification à sec en poudre tel que le graphite le sulfure de molybdène, ou un lubrifiant minéral à sec. Un mélange de poudres préféré est constitué de 4p à 90 % en poids de poudre de bronze 5 à 40 % en poids de poudre de plomb et/ou de poudre d'étain ou d'une poudre d'un alliage d'étain et de plomb, 5 à 40 % en poids de polytétrafluoréthylène en poudre et, le cas échéant, de O à 5 % en poids de graphite en poudre et/ou de 0 à 5 % en poids de MoS2 en poudre. Ce mélange de poudres sert à la fabrication par métallurgie des poudres d'objets de dimensions précises ayant des propriétés de glissement particulièrement bonnes. On préfère particulièrement un mélange de poudres constitué de 45 à 60 59 en poids de poudre de bronze, 15 à 40 R en poids de poudre de plomb et/ou d'étain, 15 à 35 70 en poids de poudre de polytétrafluoréthylène et 0 à 5 % en poids de poudre de Mou2. Le cas échéant, le mélange suivant l'invention est granulé et ensuite comprimé dans un moule à des pressions allant jusqu'à 5 t/cm2. Les ébauches ainsi -moulées sont frittées à des températures inférieures à la température de décomposition de la matière plastique mais supérieures cependant à la température de fusion du composant métallique ayant une température de fusion plus basse, avantageusement en atmosphère réductrice. Ces ébauches conservent ainsi largement leur forme extérieure mais, pour amélierer leur preXcision, on peut encore les calibrer. Dans le frittage intervenant après le moulage du mélange, il se produit une fusion du composant ayant une température de fusion plus basse et qui agit alors en tant que soudure et forme après refroidissement un édifice solide avec le composant fondant à température plus haute. De cette façon, on n'effectue certes pas un frittage à proprement parler mais on réussit cependant à réunir les unes aux autres les particules métalliques à la manière d'une soudure et à réaliser un édifice métallique solide. Le coussinet ainsi fabrique n'a donc pas nécessairement besoin d'être un composite d'incorporation de matière plastique dans une matrice métallique mais il est apparu de façon surprenante qu'un coussinet constitué de deux édifices fermés ltun sur I'autre, llun étant en métal et l'autre en matière plastique convenait particulièrement comme palier fonctionnant à sec. Les édifices fermés sur eux-mêmes sont ceux dont les zones de leurs particules sont réunies au reste de l'édifice par leur propre substance. Le coussinet réalisé à partir du mélange de poudres suivant l'invention est donc constitué de préférence d'un édifice métallique et d'un édifice plastique se pénétrant l'un l'autre, les particules du composant métallique fondant à température plus élevée étant, dans l'édifice métallique, réunies au moyen des particules du composant métallique fondant à température plus basse. Cette structure du coussinet suivant l'invention lui confère aussi une précision de mesure particulièrement importante rendant inutile dans la plupart des cas un usinage supplémentaire. Au cas où cela est cependant nécessaire, on peut encore améliorer par calibrage la précision de mesure des coussinets suivant l'invention. Par le calibrage les coussinets suivant l'invention sont presque portés à la densité théorique la précision des mesures étant encore fortement améliorée. Les coussinets se comportent alors comme des pièces métalliques. Contrairement aux paliers en matière plastique connus, les pièces finies présentent une résistance mécanique et une conductibilité thermique améliorées, un moindre coefficient de dilatation thermique et une absence de tendance à la variation de formes lorsque des tensions leur sont appliquées. Contrairement aux paliers métalliques, ils ont des propriétés de glissement fortement améliorees. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple non limitatif suivant 50 % en poids diune poudre de bronze en fragments irréguliers sont intimement mélangés dans un mélangeur avec 10 % en poids de poudre d'étains 10 % en poids de poudre de plomb et 30 % en poids d'une poudre de polytétrafluoréthylène du commerce9 les composants ne devant pas montrer de tendance à la ségrégation. Ensuite, le mélange est moulé en corps cylindriques creux ayant un diamètre extérieur de 6 mm et un alésage de 3 mm et une longueur de 4 mm avec une pression de moulage de 2 tic2. Après cela, les ébauches ont déjà 98 5t de la densité théorique.Ils sont ensuite frittés dans une atmosphère de gaz de craquage de NH3 à une température de 3800C pendant 2 heures. Les corps frittés subissent un rétrécissement radial de 0,25 5G au maximum et une augmentation de longueur de 4,5 S; et ils présentent alors environ 95 S6 de la densité théorique. Dans une matrice analogue à la forme de moulage, on les calibre ensuite sous une pression de 2 t/cm2, ce après quoi ils sont prets à l'emploi. Les pièces finies présentent 99 So de la densité théorique, ils ont une résistance radiale à la rupture de 680 kp/cm2 et ne présentent que de faibles écarts de dimensions sur leur diamètre intérieur et leur diamètre extérieur. On a déterminé que ces pièces respectaient des tolérances d'alésage du groupe 6 à 7 de tolérance ISA et des tolérances de diamètre extérieur du groupe 6 de tolérance ISA suivant la norme allemande DIN 7151. Les propriétés de glissement du coussinet fabriqué suivant l'invention à laide du mélange cité ci-dessus sont comparées avec les propriétés des coussinets connus. On a comparé les matériaux pour coussinets suivants 1. Corps mixte métal-graphite (du commerce) 2. F1atrice en matière plastique de polytétrafluoréthylène contenant du bronze et du graphite comme charges (du commerce) 3. Coussinet suivant liexemple de l'invention. Dans ces essais comparatifs, on a mesuré l'usure du matériau du coussinet à une vitesse de glissement de 8 cm/seconde à une pression moyenne par unité de surface de 10 kp/cm2 après 300 heures de fonctionnement contre un arbre en acier trempé ayant une profondeur de poli de 0,7 micron. Les résultats sont rassemblés sur le tableau I. Tableau 1 matériau Usure 1 1 40 microns 2 18 microns 3 5 5 microns Csest donc le coussinet suivant l'invention qui présente de loin l'usure la plus faible. Un coussinet de bronze fritté classique imprégné huile a certes donné dans ces conditions de frotte ment les valeurs d'usure très favorables de 2,0 microns seulement, mais un essai effectué ensuite avec le même coussinet sans huile a montré-à quel point ces propriétés favorables dépendaient de la présence de quantités d'huiles suffisantes. Le fonctionnement sans huile a en effet donné une usure de 185 microns dès les 100 premières heures de marche. Il en ressort que le coussinet suivant l'invention peut concurrencer meme un coussinet huilé notamment au point de vue de la sécurité de fonctionnement et ceci est un important résultat industriel. Bien entendus l'invention n'est pas limitée à ' exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Procédé de fabrication de pièces de précision ou de coussinets et de paliers en métal et en matière plastique, destinés de préférence à autoriser le glissenent à sec, caractérisé en ce que l'on mélange une poudre métallique constituée d'un composant fondant à température plus élevée et d'un composant fondant à une température plus basse avec une poudre de matière thermoplastique dont la température de décomposition se situe entre les points de fusion des deux composants de la poudre métallique, on moule ensuite sous pression pour réaliser un corps conformé et on fritte à une température qui se situe au-dessus du point de fusion du composant métallique fondant le plus bas et en-dessous de la température de décomposition du composant plastique. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que t'on mélange de 1 à 2 parties en volume de poudre métallique et de 2 à 1 parties en volume de poudre de matière plastique. 30) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme composant métallique fondant à température plus élevée le cuivre, le fer, le nickel, des alliages de ces métaux, des mélanges de ces métaux ou du bronze. 40) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise comme composant métallique fondant à température plus basse le cadmium, le bismuth, l'antimoine, le plomb, l'étain, des alliages de ces métaux, des me2;tanges de ces métaux ou encore d'autres métaux ou alliages fondant à basse température. 50) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on utilise du polytétrafluoréthylène comme matière thermoplastique. 60) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, comme matières thermoplastiques, on utilise du polyéthylène téréphtalate, un polyamide, des polyacétals, du polypropylène ou du polyéthylène. 70) Mélange de poudre destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'elle est constituée de a) un métal en poudre fondant à température plus élevée b) un métal en poudre fondant à température plus basse, c) une poudre dvune matière thermoplastique dont le point de décomposition se situe entre les points de fusion des deux métaux en poudre et9 le cas échéant d) au moins un agent de lubrification à sec en poudre tel que le graphite, le sulfure de molybdène ou un agent de lubrification à sec minéral. 80) Mélange de poudre suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient comme métal en poudre fondant à température plus élevée du cuivre, du fer, du nickel, des mélanges de ces métaux, des alliages de ces métaux ou du bronze. 90) Mélange de poudre suivant l'une quelconque des revendications 7 et 89 caractérisé en ce qufil contient comme métal en poudre fondant à température plus basse du plomb, du cadmium, de l'étain, du bismuth, de l'antimoine, des mélanges de ces métaux, des alliages de ces métaux ou d'autres métaux ou alliages fondant à basse température. 100) Mélange de poudre suivant l'une quelconque des revendications 7 à 99 caractérisé en ce qu'il contient comme matière plastique du polyéthylène téréphtalate, des polyamides9 des polyacétals, du polypropylène ou du polyéthylène. 110) Mélange de poudre suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9; caractérisé en ce qu'il contient du polytétrafluoréthylène comme matière thermos plastique. 120) Mélange de poudre suivant 1tune quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il est constitué de 40 à 90 S0 en poids de poudre de bronze9 5 à 40 5'0 en poids de poudre de plomb et/ou d'étain ou d'un alliage en poudre de plomb et d'étain, 5 à 40 S0 en poids de poudre de polytétrafluoréthylène, 0 à 5 % en poids de poudre de graphite, et 0 à 5 % en poids de poudre de 140S2, 130) Mélange de poudre suivant l'une quelconque des revendications > à 11, caractérisé en ce qu?il est constitué de 45 à 60 spi en poids de poudre de bronze, 15 à 40 56 en poids de poudre de plomb et/ou d'étain, 15 à 35 Uo en poids de poudre de polytétrafluoréthyiène, et de O à 5 56 en poids de poudre de 140) Coussinets fabriqués à partir d'un mélange de poudre suivant l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un édifice métallique fermé sur soi-même et d'un édifice plastique fermé sur soi-meme, les deux édifices se pénétrant et les particules du composant métallique fondant à température plus élevée dans l'édifice métallique étant réunies ensemble au moyen des particules du composant métallique fondant à température plus basse.