Brevet FR2490759A1 — publié le 19820326

-1 - MATERIAU COMPOSITE DE FRCTION RESISTANT AUX TE PEPATURES ELE-EES Le matériau de friction, qui fait l'objet del'invention, concerne de la façon la plus générale la transformation d'énergie cinétique en chaleur par frottement. Il s'applique plus particulièrement à la réalisation de garnitures de friction travaillant sous de fortes pressions et à tempé- rature élevée. De telles garnitures sont par exemple utilisées dans des dispositifs de freinage pour véhicules de tous types, des dispositifs d'embrayage ou encore des dispositifs convertisseurs ou limiteurs de couples. Les matériaux de friction les plus souvent utilisés pour la transforma- tion en chaleur de l'énergie cinétique, dans le cas, par exemple, des garnitures de freins de véhicules automobiles, sont généralement des composites comportant des produits fibreux tels que l'amiante, des matiè- res plastiques et des charges diverses. La nécessité de dissiper par frottement des quantités croissantes de cha- leur par unité de surface de garnitures frottantes a conduit les spécia- listes à rechercher de nouveaux matériaux de friction capables de suppor- ter des températures très élevées. C'est ainsi que de nouveaux composites, constitués de mélanges de poudres métalliques avec divers additifs non métalliquesont été proposés par exemple pour la réalisation des garni- tures de frein des avions. En effet, de telles garnitures sont courament portées à des températures supérieures à 5000C et pouvant même atteindre 600'C au cours du freinage pendant l'atterrissage. De même, le dévelop- pement du transport des voyageurs sur voies ferrées,au moyen de trains spéciaux à grande vitesse,conduit au remplacement des dispositifs de freinage classiques,comportant des sabots en fonte qui viennent en appui sur la jante de la roue, par de nouveaux dispositifs dans lesquels on utilise,à la place de la fonte,des matériaux de friction qui dérivent sou- vent de ceux développés pour les applications aéronautiques. L'expérience a montré que ces nouveaux matériaux de friction, s'ils pré- sentent de bonnes caractéristiques,du point de--vue coefficient de frotte- ment et résistance à l'usure,dans un large domaine de température, ont cependant l'inconvénient d'une ductilité insuffisante et tendent à se fis- surer et à se désagréger. On observe, en particulier, une telle tendance 2- lorsque ces matériaux sont utilisés, sous forme de garnitures, pour le freinage sous projection d'eau, ce qui se produit chaque fois que les trains roulent sous la pluie et que les avions atterrissent sur des pistes mouillées. Le nouveau matériau de friction, qui fait l'objet de l'invention, présen- te un coefficient de frottement égal ou supérieur à 0,3 dans pratique- ment tout le domaine de température d'utilisation, une résistance à l'usu- re tout à fait exceptionnelle dans le même domaine de température et, enfin, une résistance particulière à la fissuration et à la désagrégation, sous l'action des contraintes mécaniques et thermiques développées dans les conditions d'utilisation les plus sévères. Ce matériau est un composite fritté contenant en poids au moins 5 t de Fe, la teneur totale en métaux libres ou combinés étant d'au moins 65 5, S à % de silicates, borosilicates ou aluminosilicates alcalins ou alcalino- terreux, 5 à 15 % de graphite et au maximum 5 % d'impuretés ou d'addi- tions non métalliques éventuelles diverses. Il présente un taux de poro- sité inférieur à 5 % et, au moins 50 % du Fe contenu se trouve sous forme de tronçons de fils d'un diamètre inférieur à 0,5 mm et d'une longueur su- périeure à 10 fois le diamètre. Le mélange des métaux libres ou combinés contenu dans le composite peut comporter d'assez nombreuses variantes, mais une composition préférentiel- le comporte en % en poids: Cu 38 à 76 % Db 5 à 15 t Fe 5 à 15 % Sn 2 à 4 % L'expérience a montré que, grâce à la fois à la diminution du taux de po- rosité de ces composites, et à la présence de fer sous la forme de tron- çons de fils qui contribuent de façon très importante à augmenter la ré- sistance à la fissuration et à la désagrégation du composite, les nou- veaux matériaux de friction suivant l'invention, en plus de la résistan- ce à l'usure déjà observée des composites de friction à base de métaux, présentent une résistance exceptionnelle à la fissuration et à la désagré- gation. -3- Les exemples ci-après décrivent, de façon non limitative, deux modes de réalisation de matériaux de friction suivant l'invention. EXEMPLE 1: On a mélangé de façon connue les constituants suivants en % en poids Poudre de bronze 90/10 passant au tamis 35 Tyler............ 30 % Poudre de Cu " " 60 Tyler........... 30 % Tronçons de fils de Fe 0 0,15 mm, longueur 3 mm environ.... 10 % Poudre de Mb passant au tamis 150 Tyler.... .............. 10 % Poudre de verre passant au tamis 70 Tyler.............DTD: ..... 10 % Poudre de graphite, fraction comprise entre tamis 16 et 32 Tyler................................................... 10 % Le mélange a été comprimé dans une matrice à une pression de 400 MPa, puis fritté sous atmosphère réductrice 1 heure à 8300C. Après frittage,..DTD: le taux de porosité était de environ 20 %. La pièce frittée ainsi obtenue a ensuite été traitée à 800'C pendant 10 mn sous une pression isostatique de 20 MPa. Après refroidissement, la mesure du taux de porosité a montré que ce taux était de 0,5 %. Une éprouvette de traction découpée dans le composite ainsi obtenu a per- mis de constater à l'ambiante un-allongement de rupture de 3 t mesuré sur une longueur de 6\t 7 Des essais comparatifs effectués sur la pièce uniquement frittée avaient montré un allongement de rupture inférieur à 0,5 %. EXEMPLE 2 Un mélange de même composition que celui décrit dans l'exemple 1 a été comprimé puis fritté à 8300C dans les mémes conditions que dans l'exem- ple 1. La pièce frittée ainsi obtenue a ensuite été portée à 800'C dans un four, puis placée dans une matrice sur le plateau d'une presse à forger qui a comprimé la pièce à chaud jusqu'à une pression finale de 200 MPa. On a mesuré sur la pièce obtenue le taux de porosité et on a trouvé que celui-ci était de 0,3 %. Un essai de traction à température ambiante effectué sur une éprouvette découpée dans la pièce obtenue a montré un -4- allongement de rupture de 3 % mesuré comme dans 1'exemple 1. D'autres modes de réalisation de pièces frittées suivant l'invention peu- vent être envisagés. L'exemple 2 montre en particulier qu'une compression isostatique, bien qu'elle puisse conduire à des résultats meilleurs, n'est pas indispensable pour obtenir les caractéristiques des matériaux de friction qui font l'objet de l'invention. -5- REVENDICATIONS 1 / - Matériau composite de friction contenant en poids au moins 5 % de Fe, la teneur totale en métaux libres ou combinés étant d'au moins 65 %, 5 à 15 % de silicates, borosilicates, ou aluminosilicates alcalins ou alcalinoterreux, 5 à 15 % de graphite et, au maximum, 5 % d'impuretés ou d'additions non métalliques éventuelles diverses, caractérisé en ce qu'il présente un taux de porosité inférieur à 5 % et en ce que au moins 5 % du Fe contenu est sous forme de tronçons de fils d'un diamètre inférieur à 0,5 mm et d'une longueur supérieure à 10 fois le diamètre. 2 / - Matériau composite de friction suivant revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en poids: Cu 38à 76 % Ib 5 d 15 % Fe 5 à 15-% Sn 2 à 4 % Verre 5 à 15 % Graphite 5 à 15 % autres additions ou impuretés, maximum 5 4. 3 / - Procédé de réalisation d'un matériau composite suivant revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que, après compression et frittage, le ma- tériau subit une compression isostatique à chaud. 4 / - Procédé de réalisation d'un matériau composite suivant revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que, après compression et frittage, le ma- tériau est comprimé à chaud dans une matrice.