Brevet FR2367120A1 — publié le 19780505

La présente invention concerne des organes de machines en fonte nodulaire pour la transmission de force motrice par frictåon en coopérant avec un autre organe de machine tel qu'une pièce métallique de fonderie usinée ou une autre pièce xetalli- qie, les surfaces des deux organes pouvant glisser à certains moments l'une par par rapport a l'autre. les oranes de machines de ce type sont habituellement en acier, en acier trempé, ou en acier trem pé et revenu, en fonte, en fonte malléable, en fonte à graphite sphéroidal, en fente trempée, ou en différentes matières son thétiques. Les principaux inconvénients de ces organes de machines pour la transmission de force motrice par friction, résident dans l'usure importante et un faible coefficient de frottement0 Quand un tel organe de machine est formé avec un métal ayant une meilleure résistance 8 l'usure, il en résulte un coefficient de frottement plus faible ou une augmentation de l'usure de la pièce complémentaire.Les métaux ayant les meilleures résistan- ces è l'usure sont habituellement plus fragiles, de sorte que, pendant leur utilisation, il existe un risque de rupture. les organes de machines pour la transmission des forces motrices par friction formées en matières syithétiques ne peuvent autre utilises que dans certains cas particuliers quand on ne demande è l'organe de la machine aucune caractéristique particulière de résistance, par exemple de résistance à la traction ou de résistance à la flexion.De plus, un autre inconvénient des matières synthétiques réside dans une conductivité thermique faible, cette conductivité étant nécessaire pour évacuer des surfa- ces de friction la chaleur dégagée par le frottement La présente invention a pour objet une fonte nodulaire, c'est-à-dire à graphite sphéroidal convenant paticulièrement pour des organes travaillant par friction, ainsi que les organes formés avec une telle fonte. Une caractéristique d'un organe de machine selon linven- tion est qu'il est fabriqué en fonte à graphite sphéroidal trai tée thermiquement et dont la jicrostructure comporte, en plus du graphite sphéroidal au moins 5% en volume d'austénite fixée, qui est isothermiquement stable dans la plage des températures de +3000C à -80 C, le reste étant principalement de la bainite qui a été formée dans le traitement interrae de trempe étagée bainitique. Pour obtenir les meilleures caractéristiques, il doit y avoir plus de 20% en volume d'austénite retenue. Un organe de machine pour la transmission de force motrice par frition selon l'invention est avantageux par rapport aux organes métalliques connus correspondants parce que son usure par glissement dans la transmission est particuliêrememt faible, le coefficient de frottement de la transmission est élevé et l'usure de la pièce compléméntaire est faible. Il est remargua- ble que le coefficient de frottement reste élevé par rapport à celui des organes antérieurs.Dans certains cas l'organe de machine selon l'invention remplace duex parties d'un ergane antérieur, c'est-à-dire le corps en acier et la surface de friction en matière synthétique, en formant un élément combine. L'organe de machine en fonte à graphite sphéroidal pour une transmission par friction selon l'invention a toujours une gronde ténacité dans les conditions de fonctionnement, de serte qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser les accesseires de sécurité existant dans certaines constructions connues ayant un risque de séparation. Par exemple dans lés patins des freins connus pour le matériel ferroviaire, on utilisera pour des raisons de sécurité des rivets de fixation en acier ductile. Des organes de machines, obtenus selon invention peuvent être utilisés, par exemple, dans les applications suivantes une roue tractrice dont la pièce complémentaire est le rail, un patin de frein dont la pièce complémentaire est un organe tournant de freinage, un tambour de frein, un disque de Srein, une roue de traction ou de freinage ferroviaire, la surface d'un accouplement glissant ou un cylindre de laminoir à métaux. Un organe de machine pour la transmission de force motrice à friction selon l'invention peut 8tre fabriqué, par exemple, en fonte à graphite sphéroldal du type décrit dans le brevet finlandais 29.732. Une autre fonte à graphite sphéroidal pouvant aussi être utilisée est une fonte alliée de façon telle que, par un traitement thermique isotherme approprié à la température de trempe étagée bainitique son austénite soit transformée partiellement en bainite et reste partiellement à l'état d'austénite isothermiquement stable à la température de l'opération. après le traitement thermique, la microstructure dune fonte à graphite sphéroidal de ce type peut contenir, en plus du graphite, de la bainite et de l'austénite et aussi une certaine quantité de perlite ou de iartensite, par exemple. La fonte malléable convient aussi COflO matière de constraction pour un organe de machine selon l'invention, parce que sa corposition est en grande partie similaire à celle de la fente & graphite sphéroidal. Dons cette fonte, le graphite est aussi sous une forme sphéroidale ou nodulaire. Une fonte malléable typique contient par exemple en plus du fer 2,4% de carbone, 1,5% de silicium, 0,5% de manganèse, 0,05% de phosphore et 0,10% de soufre, en poids. La pièce moulée se solidifie à l'état de- fonte blanche. Le recuit doit avoir lieu à une température deen viron 905 C avec ensuite refroidissement rapide à 80000.Le re- froidissement final doit avoir lieu lentement d'après les conditions requises peur l'usinage. après usinage, la pièce ioulée est austénisée à 88000 et elle est soumise à un revenu de trempe étagée bainitique partiel dans un bain de sel à une température de environ 350 C avec maintien à cette température pendant enviroi 2 heures. la microstructure de la fonte malléable traitée de cette façon contient environ 10% de graphite sphéroidal, 20 à 40% d'austénite et 50 à 70% de bainite en volume et éventuel liement de petites quantités de martensite et de perlite. Un organe de machine pour la transmission de force motrice par friction selon l'invention peut être fabriqué, par exemple, de la façon suivante. Une pièce fondue convenant pour la fabrication de l'organe de machine peut être coulée en fonte à graphite sphéreidal contenant en plus du fer, en poids, 3,6% de carbone, 2,25% de silicium, 0,7 de manganèse, 0,1 de molybdène, 0,5% de cuivre, 0,045% de magnésium, 0,06% de phosphore et 0,015% de soufre. 0m laisse ensuite refroidir la pièce fondue. Cette pièce est ensuite usinée aux tolérances de organe de machine désiré. La pièce cst ensuite chauffée à une température de 8800C dans un four de traitement thermique à la température d'austénisation et elle y est maintenue à cette température pendant 2 heures, temps au cours duquel sa microstructure est convertie en austénite. La pièce moulée est ensuite transportée du four de traitement thermique à bain de sel ayant une tempé- rature de 355 C. La moitié du bain de sel est du NaNO2 et lautre moitie du KNO3. Le bain de sel contient un appareil de chauffage et de refroidissement avec un thermocouple et un dispositif pour faire circuler le sel en fusion.La pièce moulée est maintenue pendant 120 minutes dans le bain de sel et on la laisse ensuite refroidir à lsair. La pièce moulée obtenue est en fonte à graphite sphéroidal dont la microstructure comporte environ 10% de graphite sphéroidal, 50 à 60% de bainite et 30 à 40% d'austénite retenue, en volume Il neapparait aucune altEra- tion importante des dimensions de la pièce pendant le traitement thermique. Toutefois, l'usinage et le traitement thermique peuvent aussi avoir lieu en effectuant l'usinage après le traitement thermique isotherme.Dans ce cas, il n'apparais aucune va- riation des dimensions après leusinage. Deautre part, l'usinage est quelque peu difficile en raison du durcissement qui s'opère pendant le travail, et qui résulte de la transformation partielle en martensite de l'austénite fixée. L'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples, nullement limitatifs, suivants: EXEMPLE 1 Les organes de machines ont été essayés en formant des patins de freins appliqués contre les roues en acier pour le freinage en utilisant deux qualités de fonte à graphite sphéroi- dal pour deux locomotives de gare 90 et 50 à moteurs Diesel. la microstructure des patins de freins du moteur 90 contenait en- viron 5%, en volume, d'austénite fixée isothermiquement stable. Les patins de freins ont été usés en 360 heures de marche de la locomotive d'environ 16 mm, la durée moyenne de service de ces patins de freins pouvant être estimée à 1.000 à 1200 heures de fonctionnement. La microstructure de patins de freins de la locomotive 50 contenait environ 20% en volume d'austénite fixée isothermiquement stable. Ces patins de freins ont été usés deenviron 5 mm seulement pendant 360 heures de marche de la locomotive, la durée de service de ces patins pouvant entre estimée à 4.000 heures de marche. Après les registres de service pour quatre années, la durée moyenne de service des patins de freins GRS 26 utilisés dans les locomotives de gare 90 et 50 a été de 180 heures de marche. Si l'on compare les heures de marche des patins de freins selon l'invention aux heures correspondantes des- patins de freins classiques antérieurs, on constate que les patins de freins contenant 5% en volume d'austénite fixée durent environ 6 fois et les patins de freins contenant 20% en volume d'austé- nite fixée durent environ 20 fois plus que les patins de freins classiques.Dans les essais effectués avec les locomotives de gare on a déterminé de plus que 11 action de freinage a été normale et que l'usure des roues a été de 40% inférieure à l'usure habituelle EXEMPLE 2 La matière selon Invention a été essayée aussi sur des véhicules ferroviaires, les roues ayant été formées avec la matière selon l'invention mais avec des patins de freins en acier non allié à faible teneur en carbone dune dureté approximative de 160 à 180 HB. Les résultats ont été favorables: le freinage a été normal, l'usure des roues a été inférieure à celle des roues correspondantes en acier avec des patins de freins on fonte, et l'usure des patins en acier a été inférieure à 5% Le celle des patins de freins en fonte sur des roues en acier. EXEMPLE 3 La matière a été étudiée dans des conditions de laboratoire en effectuant des essais deusure avec l'appareil dressai d'usure & cylindre lisler. Dans appareil Amsler, un cylindre rectifié tournant a été utilisé avec des pièces d'essai serrées contre la surface extérieure. Le diamètre du cylindre était de 50 n et son épaisseur de 10 mm, sa vitesse de rotation de 200 tours/min et de plus le cylindre a été déplacé dans la même direction avec son pignon en va-et-vient de 1 mi 20 fois par minutes. Les pièces dressai serrées comme des patins de freins contre la surface extérieure avaient une largeur de 8 mm et une longueur de 20 fi, la surface de contact étant de 160 mm2. La couche superficielle était assez épaisse pour une usure sévère. La roue et les pièces d'essai ont été refroidies par un jet d'air comprimé pendant les essais. L'essai a été effectué sans lubrification. La force avec laquelle les pièces de essai ont été serrées contre la roue a été obtenue au moyen de leviers et de poids. Le cylindre a effectué un million de tours pendant les sai. La force de freinage a été lue sur un enregistreur de couple. Le coefficient de frottement est le rapport entre la force de freinage lue et la force de compression utilisée. Un cylindre pesé et les pièces d'essai pesées ont été placées dans le moteur pour chaque essai. Le cylindre et les pièces d'essai ont été pesés après l'essai et les usures ont été calculées, Pour lei essais on a utilisé une roue dressai en acier C 45 trempé et revenu selon la norme DIN 17200, la roue étant trempée par inductions Les pièces d'essai selon l'invention contenaient en plus de la fonte les éléments d1alliage suivants en poids 3,6% de carbone, 2,25% de silicium, 0,7% de manganèse, 0,5* de cuivre, 0,1% de molybdène et 0,049% de magnésium.Les pièces d'essai ont été austénisées à la température de 880 C, et pour la trempe bainitique en étape, les températures et les durées utilisées ont été celles données par le tableau, et différentes quantités d'austénite fixée ont été formées dans les pièces. De façon correspondante, on a utilisé pour un essai de comparaison des pièces d'essai en fonte malléable G2S-70 suivant la norme DIN 1692, la microstructure de cette fonte ayant été constatée être de la perlite fine. Les résultats d'essais sont donnés par le tableau ci-après qui donne aussi la contrainte de contact Herzian, le coefficient de frottement obtenu, la résistance mécanique et l'usure pendant un million de tours de la pièce dressai, ainsi que la résistance mécanique et l'u- sure de la roue associée. Les essais 1 à 9 ont été effectués avec des pièces d'essai selon 11 invention et les essais 10 à 13 avec les pièces d'essai de comparaison. Il ressort des résultats des essais que la pièce dressai selon l'invention a seulement une usure faible, quelle use peu la roue associée et que le coefficient de frottement reste élevé. Ltausténite fixée étant de 25 à 35% en volume, le résultat est bon aussi. Quand l'austénite fixée est seulement de 8 en volume, on constate une augmentation de l'usure et une diminution du coefficient de frottement. Les pièces d'essai de comparaison en fonte malléable ont été usées de nombreuses fois de plus et le coefficient de frottement a été nettement faible. Les essais 11 à 13 ont été arrêtés en raison de l'usure croissante et les usures correspondant à un million de tours ont été obtenus par calcul. La stabilité isothermique de l'austénite fixée dans la microstructure de l'organe selon l'invention a été contrélée avec les pièces contenant 20% en volume d'austénite fixée. Les pièces ont été maintenues 5 heures à une température de 400 C, 500 heures à 300 C, 20 minutes à -80 G et 15 minutes à -1909C, aucun de ces essais n'ayant provoqué de changement appréciable de l'austénite fixée. La limite supérieure pour l'austénite fixée stable dans la microstructure de la fonte à graphite sphéroldal utilisée pour les organes de machines selon l'invention est approxima vivement de 50% en volume parc. qu'une teneur supérieure est difficile sans utiliser des quantités importantes d'éléments d'alliage coûteux. Un organe de machine selon l'invention peut aussi entre utilisé associé à un autre organe de machine selon l'invention, par exemple de façon que le patin de frein et l'organe de ma- chine à freiner soient tous deux conformes à l'invention. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et il va de soi que l'invention peut être mise en oeu vre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. Essai Trempe en Austénite Pression Goefficient Essais de Essais de la pièce étapes fixée % de contaot de frottement la pièce complémentaire N Temp.re Temps dureté usure Dureté usure C min kp/cm2 HB g HRc g 1 355 120 35 5 0,61 345 2,14 51 1,81 2 355 120 35 5 0,59 341 1,99 51 1,21 3 310 100 25 5 0,68 409 1,58 50 0,75 4 310 100 25 5 0,60 420 1,40 47 0,86 5 355 120 35 10 0,63 341 2,38 49 1,54 6 355 120 35 10 0,67 329 1,87 50 1,03 7 310 100 25 10 0,68 415 2,32 50 1,60 8 310 100 25 10 0,66 420 1,94 47 1,26 9 420 500 8 10 0,55 10 5 0,64 293 4,8 53 1,26 11 5 0,50 284 852.3 48 1,94 12 10 0,18 276 2379,0 51 5,38 13 10 0,29 272 2111,0 50 8,75 REVENDICATIONS 1.- Fonte nodulaire caractérisée en ce qu'elle contient en plus du graphite sphéroïdal au moins 5* en volume d'austé- nite fixée qui est isothermiquement stable dans un intervalle de température de +3000C & -80 C, le reste étant principalement de la bainite, cette fonte convenant pour former des surfaces de friction organe de machines pour la transmission de force motrice et devant glisser de façon intermittente contre une surface métallique quand l'organe est pressé contre cette surface. 2.- Fonte nodulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient 8 à 60% en volume d'austénite fixée dans la micro structure de la fonte modulaire 30- Fonte nodulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que elle contient 20 à 50 en volume d'austénite fixée dans la microstructure de la fonte nodulaire. 4.- Organe de machine en fonte nodulaire pour la transmission de force motrice par friction, les surfaces de friction glissait de façon intermittente quand elles sont serrées contre une surface métallique, caractérisé en ce que la microstructure de la fonte à graphite sphéroïdal continent en plus du graphite sphéroidal au moins 5% en volume d1 austénite fixée, isothermi- quement stable dans la plage des températures de +300 à -80 , le reste étant principalement de la bainite. 5.- Organe de machine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la microstructure de la fonte nodulaire contient 8 à 50% en volume d'austénite fixée. 6. Organe de machine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la micro structure de la fonte nodulaire contient 20 à 50 en volume d'austénite fixée.