Brevet FR2489450A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne la fabrication des matériaux de construction antifriction. Ces matériaux sont utilisésnotamment pour fabriquer des pièces devant travailler dans des sous-ensembles à frottement de divers équipements,(par exemple: pompes centrifuges à presse-étoupe ou étanches sans presse-étoupe, pompes à tige et à piston, vis transporteuses, conduites), assurant le transport de liquides neutres, agressifs ou chargés d'impuretés abrasives, par exemple de calamine, d'argile, de sable, etc., de différentes dispersités, ainsi que le transport de matériaux pulvérulents ou analogues susceptibles d'écoulement. On connaît un procédé de fabrication d'antifrictions par imprégnation d'une matrice carbonée avec du cuivre et de l'argent en fusion. Ce procédé consiste à placer la matrice carbonée et les métaux à l'état solide dans une enveloppe électroconductrice et à chauffer à l'aide d'un courant électrique jusqu'à la température de fusion des métaux (brevet français NO 1 368 129, classe C 04B, publié le 31 Juin 1964). Ce procédé ne permet pas toujours d'obtenir u'1 antifriction à matrice carbonée imprégnée uniformément, ce qui se traduit par des différences notables de ses propriétés en différents points de sa masse. On connaît aussi un procédé de fabrication d'antifrictions par imprégnation d'une matrice carbonée, d'une densité de 1,68 à 1,79 g/cm3, avec des métaux ou alliages de métaux à température de fusion de 200 à 10000C, dans un autoclave, au zein d'une atmosphère de gaz inerte sous pression (brevet Etats-Unis NO 3 619 430, classe 264-29, publié le 9 Novembre 1971). Les antifrictions fabriqués par ce procédé ont une résistance à l'usure (vitesse d'usure de 0,8 à 1 fLm/h) et une charge de rupture (résistance à la compres- sion de 225,6 MPa ou 2300 kg/cm2) insuffisamment élevées, aussi leur utilisation dans les sous-ensembles à frottement travaillant dans des milieux liquides contenant des impuretés abrasives et dans des milieux constitués de matériaux pulvérulents ou analogues- s'avère-t-elle impossible. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est proposé, à cet effet, dans le procédé de fabrication d'antifrictions comprenant l'imprégnation d'une matrice carbonée avec des métaux ou alliages de métaux, de choisir une matrice carbonée et des régimes de traitement de cette matrice qui permettraient d'obtenir des antifrictions à caractéristiques de résistance mécanique accrues et à basse vitesse d'usure. La solution consiste en un procédé de fabrication d'antifrictions, comprenant l'imprégnation d'une matrice carbonée avec des métaux ou alliages de métaux, dans lequel, d'après l'invention, la matrice carbonée est réalisée en graphite silicié constitué par 5 à 25% en poids de silicium, 25 à 55% en poids de carbure de sili- cium, le solde étant du carbone, et, avant l'imprégnation, le graphite silicié subit un traitement thermique, sous un vide de 13,3 à 0.,133 Pa ou 10-1 à 10 3 mm Hg, à une température de 1500 à 20000C, pendant 15 à 60 mn. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'obtenir des antifrictions à caractéristiques de résistance mécanique accrues (la résistance à la compres- sion atteint 421,8 MPa ou 4300 kg/cm2) et à grande résistance à l'usure (vitesse d'usure de 0,3 Vm/h), ce qui, à son tour, permet d'utiliser ces antifrictions dans les sous-ensembles à frottement travaillant dans des milieux liquides contenant des impuretés abrasives et dans les milieux constitués par des matériaux pulvérulents ou analogues. Le procédé est technologiquement simple, sans risques d'explosion, à grand rendement. Tous les paramètres technologiques du processus de fabrication des antifrictions sont contrôlables aisément et avec fiabilité. Le procédé de fabrication d'antifrictions conforme à l'invention est mis en oeuvre de la façon suivante. En tant que matrice carbonée de départ pour l'imprégnation avec des métaux ou alliages de métaux, on utilise un graphite silicié. Pour fabriquer le graphite silicié on peut utiliser des demi-produits carbonés poreux, soumis à une cuisson (jusqu'à 700-1000 C) ou graphitisés(jusqu'à 2000-3000 C), fabriqués à partir de charges et de liants carbonés divers. Par exemple, on peut utiliser des demi-produits poreux à base des charges carbonées suivantes: cokes de pétrole et de houille, graphites artificiels et naturels, tissus et fibres de carbone, ainsi qu'à base de liants tels que, par exemple: brais de houille et de pétrole, résines phénoliques et autres résines thermo-durcissables. En tant que demi- produits poreux carbonés on utilise des demi-produits à porosité ouverte de 20 à 50% (du volume total du demi-produit) et à dimension des pores de 30 à120 pm. La matrice carbonée (en graphite silicié) eEt fabriquée par un procédé connu, par chauffage de demi- produits d'une densité de 0,80 à 1,70 g/cm3 dans un four électrique, dans une atmosphère de gaz inertes (argon, azote, hélium) ou sous un vide de 1333 à 13,33 Pa X. à 10-1 mm Hg, jusqu'à une température de 1800 à 2100 C, et par imprégnation de demi-produits carbonés chauffés avec du silicium en fusion pendant 15 à 30 mn. Les demi- produits carbonés imprégnés de silicium (graphite silicié) sont sortis du fourà une température ne dépassant pas 800 C. La matrice carbonée ainsi obtenue est soumise à un traitement thermique dans un four électrique sous vide (vide de 13,33 à 0,133 Pa ou 10-1 à 103 mm Hg) à une température de 1500 à 2000 C, pendant 15 à 60 mn. Après le traitement thermique, la matrice carbonée (graphite silicié) est imprégnée avec des métaux ou alliages de métaux par une méthode connue, sous vide ou dans une atmosphère de gaz inertes sous pression. En tant que métaux on peut utiliser, par exemple, le cuivre, l'argent, l'or, le platine, le plomb, l'étain, le zinc, l'antimoine, le bismuth, l'indium. Parmi les alliages on peut utiliser, par exemple, des alliages antimoine-bismuth, fer-antimoine, plomb-étain, régules à l'étain ou au plomb, divers bronzes antifrictions, par exemple à base de cuivre et de plomb ou à base de cuivre, plomb et nickel. Après l'imprégnation de la matrice carbonée (graphite silicié) avec les métaux ou alliages de métaux, le produit obtenu est usiné, notamment par enlèvement de matière, pour réaliser la pièce répondant aux cotes prescrites. Pour une meilleure compréhension de l'invention on décrit ciaprès des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs. Dans tous les exemples on utilise une matrice carbonée (graphite silicié) en forme d'anneau de dimensions:0ext. = 60 mm, int. = 40 mm, h = 200 mi. Les données sur la résistance mécanique et la résistance à l'usure des antifrictions fabriqués selon les exemples et selon le brevet des EtatsUnis No 3 619 430 sont indiquées dans les tableaux qui suivent les exemples. Exemple 1. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 5%, carbure de silicium 55%, carbone %,lest chauffé jusqu'à 1500WC à une vitesse de 500C/mn, dans un four électrique,sous un vide de 13,33 Pa ou 10 1 mm Hg, et est maintenu à cette température pendant 15 mn. Puis on place dans le four un creuset de graphite, dans lequel on introduit l'anneau et du cuivre; on chauffe jusqu'à 11000C sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg et on maintient l'anneau en séjour dans le cuivre en fusion pendant 5 mn. Ensuite on fait baisser la température jusqu'à 8000C et on défourne l'anneau. Exemple 2. ' Un antifriction est fabriqué d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 1. La différence consiste en ce que l'on utilise un anneau en graphite silicié de composition pondérale suivante: silicium 25%, carbure de silicium 25%, carbone 50%. Le traitement thermique de l'anneau est exécuté sous un vide de 1,33 Pa ou -2 mm Hg, à une température de 1800 C, pendant 35 mn. Exemple 3. Un antifriction est fabriqué d'une manière -analogue à celle décrite dans l'exemple 1. La différence consiste en ce que l'on utilise un anneau en graphite silicié de composition pondérale suivante: silicium 15%, carbure de silicium 42%, carbone 43%. Le traitement thermique de l'anneau est exécuté sous un vide de 0,133 Pa ou 10-3 mm Hg, à une température de 2000 C, pendant 60 mn. Exemple 4. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 10%, carbure de silicium 48%, carbone 42%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 1,133 Pa ou 10-2 mm Hg, à une température de 1700 C, pendant 40 mn, puis il est imprégné de bronze antifric- tion ayant la composition pondérale suivante: plomb 27 à 33%, cuivre, le solde. L'imprégnation est exécutée d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 1. Exemple 5. I Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 17%, carbure de silicium 39%, carbone 44%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg, à une température de 16000C, pendant 20 mn. Puis l'anneau est imprégné avec de l'antimoine-fer (rapport pondéral antimoine/fer de 85/15) en fusion, comme décrit dans l'exemple 1. Exemple 6. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 23%, carbure de silicium 295', carbone 48%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10 -1 mm Hg, à une température de 1900 C, pendant 25 mn, puis il est imprégné de régule ayant la composition pondérale suivante: antimoine 10 à 12%, cuivre 5,5 à 6,55', étain, le solde. L'imprégnation est exécutée à une température de 500 C, dans une atmosphère d'azote sous une pression de 20 atm, pendant mn. Après refroidissement du four jusqu'à 250 C, on défourne l'anneau. Exemple 7. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 12%, carbure de silicium 46%, carbone 42%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 1,333 Pa ou 102 mm Hg, à une température de 1800 C, pendant 30 mn, puis il est imprégné avec du plomb-étain (rapport pondérai plomb/étain de 95/5) en fusion, comme décrit dans l'exemple 6. Exemple 8. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 21%, carbure de silicium 33%, car- bone 46y5, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 0,133 Pa ou 10-3 mm Hg, à une température de 1800 C, pendant 30 mn, puis il est imprégné avec du bronze antifriction ayant la composition pondérale suivante: plomb 57 à 63%', nickel 1,0 à 6,6%, cuivre, le solde. L'imprégnation est exécutée d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 1. Exemple 9. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 159%, carbure de silicium 41%, carbone 44%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg, à une température de 2000 C, pendant 17 mn, puis il est imprégné avec de l'argent en fusion à une température de 1100 C, dans une atmosphère d'argon sous une pression de 10 atm, pendant 15 mn. Exemple 10. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 7%', carbure de silicium 49%, carbone 44%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 0,133 Pa ou 10-3 mm Hg, à une température de 1500 C, pendant 40 mn, puis il est imprégné avec de l'or en fusion, comme décrit dans l'exemple 9. Exemple 11. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 24%, carbure de silicium 27%, carbone 49', est soumis à un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg, à une température de 1750 C, pendant 50 man, puis il est imprégné avec de l'aluminium en fusion à 700 C, dans une atmosphère d'argon sous une pression de 10 atm, pendant 15 mn. Exemple 12. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 15%, carbure de silicium 42%, carbone 43,, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 1,33 Pa ou 10 2 mm Hg, à une température de 1800 C, pendant 35 mn, puis il est imprégné avec de l'antimoine- bismuth (rapport pondéral antimoine/bismuth de 1/1) en fusion, comme décrit dans l'exemple 11. Exemple 13. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 18%, carbure de silicium 37%, carbone 45%, est soumis à un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg, à une température de 1950 C, pendant 55 mn, puis il est imprégné avec du platine en fusion à une température de 1800 C, dans une atmosphère d'argon sous une pression de 10 atm, pendant 15 mn. Exemple 14. Un anneau en graphite silicié, de composition pondérale: silicium 8%, carbure de silicium 51%, carbone 41%, est soumis à -un traitement thermique sous un vide de 13,33 Pa ou 10-1 mm Hg, à une température de 1550 C, pendant 27 mn, puis il est imprégné avec de l'indium en fusion à une température de 350 C, dans une atmosphère d'argon sous une pression de 10 atm, pendant mn. Les antifrictions fabriqués selon les exemples I à 14 et selon le brevet des Etats-Unis N 3 619 430 ont été soumis à des essais de résistance à l'usure et à des essais de résistance à la compression. Les essais de résistance à l'usure ont été exécutés sous une charge de 0,98 MPa ou 10 kg/cm avec une vitesse de glissement sur l'acier (HRC = 50 à 55) egale à 0,5 m/s, dans de l'eau contenant du sable à grosseur de particules de 40 à 100 pm, la concentration étant de 50 g/l à une température de 50 à 70 C. En outre, des essais supplémentaires ont fait apparaître que l'antifriction fabriqué par le procédé conforme à l'invention permettait le fonctionnement normal des couples de frottement sans grippage et sans montée brusque de la température en régime de frottement sec ou semi-sec, c'est-à-dire en régime de démarrage ou d'arrêt du matériel. Sur les surfaces actives de l'antifriction fabriqué selon le brevet des EtatsUnis N 3 619 430, on observe dans de telles conditions la formation de rayures profondes et de grippures. La résistance à l'usure était évaluée d'après la vitesse d'usure et d'après l'état des surfaces actives en contact dans les couples de frottement. Le tableau donné plus bas montre que l'application de l'invention permet d'augmenter la résistance à la compression des antifrictions de 1,2 à 2,0 fois et d'abaisser la vitesse d'usure de 1,6 à 2,0 fois, comparativement aux antifrictions fabriqués par le procédé connu faisant l'objet du brevet des Etats-Unis N 3 619 430. Tableau N Graphite silicié, % en poids Traitement thermique d'exemples Silicium Carbure Carbone Vide, Tempéra- Durée de ture, mn Silicium Pa C 1 2 3 4 5 6 7 I 5 55 40 13,33 1500 15 2 25 25 50 1,33 1800 35 3 15 42 43 0,133 2000 60 4 10 48 42 1,33 1700 40 17 39 44 13,33 1600 20 6 23 29 48 13,33 1900 25 7 12 46 42 1,33 1800 30 8 21 33 46 0,133 1800 30 9 15 41 44 13,33 2000 17 -'- cO o Ln CD Tableau (Suite) Agent d'imprégnation Propriétés des antifrictions Métal Alliage, Densité, Résistance à Vitesse % en poids g/cm3 la compression d'usure, MPa pm/h 8 9 10 11 12 Cu - 2,72 421,8 Pour les exemples Cu 3,63 272,7 1 à 14, la vitesse Cu - 3, 11 367,9 d'usure se situe - Pb = 27-33 3,17 402,2 entre 0,3 et 0,5 * Cu = solde Fm/h. Les surfaces - Sb = 85 3,07 343,4 actives des couples Fe = 15 de frottement - Sb = 10-12 275,7 restent sans traces Cu = 5,5-6,5 visibles d'usure. Sn = solde 3,82 - Pb = 95 3,33 382,6 Sn = 5 - Pb = 57-63 3,57 318,8 Ni = 1,0-6,6 Cu = solde Ag 3,27 353,2 r',) Co n c:P Tableau 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 7 49 44 10-3 1500 40 Au - 3,14 402,2 Pour les exemples I à 14, la vitesse 11 24 27 49 10-1 1750 50 Al - 2,67 275,7 d'usure se situe entre 0,3 et 12 15 42 43 10-2 1800 35 - Sb=50 3,09 360,0 0,5 pm/h. Les Bi=50 - surfaces actives 13 18 37 45 10-1 1950 55 Pt - 3,32 382,6 des couples de frottement restent 14 8 51 41 10-1 1550 27 In - 3,23 372,8 sans traces visibles d'usure. Selon Matrice en - - - - Sb=70 2,67 225,6 0,8 - 1,0 brevet carbone non Cu=30 Etats- siliciée Les surfaces Unis NI actives des cou- 3619430 ples de frottement présentent des traces d'usure. -Pl CO n C> Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnésqu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C AT I 0 N S 1. Procédé de fabrication d'antifrictions,du type comprenant l'imprégnation d'une matrice carbonée avec des métaux ou alliages de métaux, caractérisé en ce que la matrice carbonée est réalisée en graphite silicié, constitué par 5 à 25% en poids de silicium, à 55% en poids de carbure de silicium, le solde étant du carbone, et que, avant l'imprégnation, le graphite silicié subit un traitement thermique, sous un vide de 13,3 à 0,133 Pa ou 10-1 à 10-3 mm Hg, à une température de 1500 à 2000 C, pendant 15 à 60 mn. 2. Antifrictions caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de la revendication 1.