Brevet FR2491090A1 — publié le 19820402

ALLIAGE POUR COUCHE ANTIFRICTION DE COUSSINETS ET PROCEDE POUR FORMER UNE COUCHE ANTIFRICTION SUR UNE BANDE D'ACIER SUPPORT La présente invention se rapporte à un nouvel alliage préparé à par- tir de l'alliage connu de cuivre-plomb-étain, destiné à former la couche antifriction de coussinets, en particulier de coussinets de moteurs à com- bustion interne, et elle vise également un procédé pour former cette couche antifriction sur une bande d'acier support afin d'obtenir des ma- tières utilisées dans la fabrication des coussinets. Comme on le sait, le type de coussinetsci-dessus mentionné comprend normalement une bande support en acier sur laquelle est agrégée une couche antifriction constituée par un alliage à base de cuivre-plomb-étain appe- lé habituellement un "bronze". Dans le procédé classique connu de fabrication de tels coussinets,onap- plique etfixel'alliageCu-Pb-Snsurune bande d'acier support en utilisant l'une ou l'autre de deux techniques distinctes, à savoir le procédé de coulée ou le procédé faisant appel à la métallurgie des poudres. Lorsqu'on utilise la technique de coulée,on plie les bords de la bande d'acier pour lui donner la forme d'une gouttière continue, on la chauffe à une température d'environ 1100'C sous une atmosphère réductrice, on la fait passer à travers une cuve de fusion dans laquelle l'alliage fondu maintenu à la température de 1200'C est versé sur la bande d'acier. On refroidit brusquement la bande ainsi revêtue afin d'obtenir une struc- ture dans laquelle le plomb est homogénéisé et est finement réparti. Dans la technique utilisant la métallurgie des poudres qui est la plus souple des deux procédés, il est possible d'obtenir des bandes re- vêtues d'un alliage à base de Cu-Pb-Sn dans une très large gamme de com- positions. Au cours de la première étape - à savoir celle de la formation de la poudre - on fait fondre l'alliage d'une composition déterminée et on le verse par un petit orifice, le courant de métal qui tombe étant transformé en poudre au moyen de jets de gaz ou d'eau de sorte qu'on ob- tient des particules de poudre métallique dont on peut contrôler la forme approximativement sphérique. Au cours du rapide refroidissement de chaque particule, une réparti- tion très fine du plomb dans une matrice Cu-Sn est obtenue. Au cours de la seconde étape, à savoir l'étape.de frittage, on dépose la poudre de bronze en une épaisseur convenable sur une bande d'acier. On fait passer la bande d'acier ainsi revêtue dans un four rempli d'une atmosphère contrôlée à des températures comprises entre 705 et 10000C et les particules de poudre se frittent entre elles et à la bande d'acier support. Au cours de cette étape, par suite de phénomènes thermodynamiques, il se produit un réagencement et une redistribution de la phase bronze et du plomb d'o il résulte une certaine répartition de la phase plomb qui n'est pas aussi fine que celle des particules dans l'état initial dans lequel elles ont été pulvérisées. Après le premier frittage, on fait passer la bande entre les cylindres d'un laminoir dans le but de densifier les particules frittées et de supprimer totalement la porosité. Ensuite, on fritte à nouveau la bande de façon à provoquer un renforcement structural du bronze qui a subi des déformations au cours de l'étape précédente. La bande est alors capable d'être à nouveau laminée, cette opération étant effectuée pour réaliser une mise aux dimensions et/ou accroître cer- taines propriétés physico-mécaniques. En fonction de la redistribution de la phase Pb après les étapes de frittage, la couche antifriction obtenue a une structure dans laquelle les globules (ou îlots) de plomb sont présents en des dimensions qui favo- risent leur continuité et il peut y avoir une interconnexion des globules de plomb, comme représenté sur la Fig. 1. L'amélioration des structures frittées typiques (Fig. 1) a été l'ob- jet de recherches ininterrompues visant à améliorer les propriétés de ces alliages en vue de leur application à la réalisation de coussinets, telles que la résistance à la fatigue, l'accroissement de leur capacité de sup- port de charge, alliées à une bonne résistance à la corrosion et un faible coefficient d'usure par frottement. Les fabricants de matières pour cous- sinets et les fabricants de moteurs sont tous d'accord sur le fait que plus la dispersion de la phase plomb dans la matrice de bronze est fine, 24910O0 homogène et discontinue, plus les performances des coussinets seront bonnes lors de leur utilisation dans des moteurs de forte puissance. De même, il est généralement admis que la continuité de la phase Pb dans la matrice de bronze rend possible, par exemple, la disparition du plomb de l'alliage de coussinet par suite de l'action chimique del'acidité qui se produit dans les huiles de graissage lorsque celles-ci sont utilisées pendant des périodes de temps exagérément longues et à des températures élevées. Par conséquent, l'un des principaux buts de la présente invention est de réaliser un nouvel alliage pour coussinets destiné à être produitparle techniques de la métallurgie des poudres à partir d'alliages de bronze (Cu- Pb-Sn) auxquels on ajoute un certain pourcentage de nickel,ce qui rend possible l'obtention de nouvelles structures dans lesquelles la phase plomb présente est plus fine et est répartie de manière plus homogène que dans les alliages frittés connus (Fig. 2). Un autre but de l'invention est de réaliser un nouveau procédé pour former une couche antifriction à base de Cu-Sn-Pb sur une bande d'acier support afin de produire des bandes composites utilisées dans la fabrica- tion des coussinets au moyen de la technique de la métallurgie des poudres de façon à permettre l'obtention d'une couche antifriction ayant une très fine répartition du plomb, couche qui est extrêmement résistante à l'usure et à la traction, sans nécessiter d'opérations autres que les opérations connues de pulvérisation, frittage et laminage. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la Fig. 1 représente une vue en coupe agrandie d'une bande composite qui comporte une bande d'acier support et une couche antifriction produite par le frittage de particules de l'alliage Cu-Sn-Pb connu; et la Fig. 2 est une vue,semblable à celle de la Fig. 1, qui représente la couche antifriction produite par le frittage de Darticules du nouvel alliage qui fait l'objet de la présente invention. Conformément à la présente invention, on a réalisé un nouvel alliage par addition d'un pourcentage déterminé de nickel (Ni) à l'alliage cuivre- étain-plomb connu lorsque ce dernier est encore à l'état fondu avant qu'il soit pulvérisé pourla production des particules de poudre métallique qui doivent être ensuite frittées sur une bande d'acier support. Grâce à cette addition de Ni, il est possible de modifier les carac- téristiques de frittage thermodynamiques des alliages Cu-Sn-Pb,ce qui rend possible d'obtenir des structures nouvelles et améliorées pour de tels alliages sous forme de couche antifriction de coussinets dans laquelle la phase Pb est plus fine, est répartie d'une manière plus homogène et est discontinue, comme on peut le voir sur la Fig. 2. Un autre avantage qui résulte de l'addition de Ni aux alliages de coussinetsclassiques en Cu-Pb-Sn obtenus par frittage est que les poudres contenant un tel élément chimique (INi) peuvent être frittées à des températures inférieures aux températures usuelles et à des vi- tesses de traitement plus élevées, compte-tenu du fait que le nickel favorise le phénomène de diffusion; ceci entraîne une économie dans l'exécution du procédé. Avec la structure représentée sur la Fig. 2, outre le fait que les flots de plomb sont présents avec une répartition plus fine et plus dis- continue,la matrice de bronze (Cu-Sn-Ni) possède une plus grande résis- tance mécanique du fait de la présence du nickel. Malgré le fait que l'emploi de nickel dans le cuivre (cupro-nickels) dans le but d'améliorer les propriétés physico-mécaniques telles que la dureté et la résistance à la traction, est déjà connu, on doit clairement préciser que l'addition de nickel conformément à l'invention vise spéci- fiquement à empêcher ou à réduire au minimum l'agglomération des globules de plomb pendant les opérations de frittage des poudres d'alliages Cu-Sn- Pb, l'accroissement de résistance mécanique obtenu par suite de l'addi- tion de nickel élémentaire n'étantconsidéré que comme un phénomène marginal et secondaire.- L'alliage qui fait l'objet de la présente invention peut avoir les fourchettes de pourcentages en poids suivantes de ses éléments constitu- tifs: Pb: 8 à 27% Sn: 0,5 à 10% Ni: 2 à 1 0% Cu: le reste On sait que pour la fabrication de matières pour les coussinets qui portent des arbres tournant à grande vitesse, on utilise des alliages ayant une forte teneur en Pb et une faible teneur en Sn, tandis que dans les applications dans lesquelles les arbres tournent à faible vitesse, et sous une charge spécifique élevée, on utilise des alliages ayant une faible teneur en Pb et une forte teneur en Sn. Ainsi, le choix des propor- tions des éléments métalliques ci-dessus mentionnés est une fonction de 249.10 90 l'emploi spécifique du coussinet. Le tableau ci-dessous donne à titre d'exemple une propriétés des alliages Cu-Pb-Sn avec et sans nickel. Si l'on noter que les sistance à la sans Ni. comparaison des considère les valeurs indiquées dans le tableau, on peut alliages Cu-Pb-Sn avec l'addition de Ni présentent une ré- corrosion plus de deux fois supérieure à celle des alliages De même, l'addition de Ni a entraîné des avantages en ce qui con- cerneles propriétés mécaniques de l'alliage (résistance à la traction et résistance à l'usure). Ces matières frittées ont rendu possible l'obtention de structures ayant une répartition des phases extrêmement avantageuse pour l'applica- tion à des coussinets de moteurs de forte puissance. Dans ces structures, la phase Pb s'est avérée être avantageusement dispersée dans la matrice Cu-Sn-Ni, de la manière désirée. Il est évident que les changements individuels ou simultanés des éléments chimiques indiqués dans le tableau permettent d'adapter une com- position quelconque en fonction des besoins de l'application à des coussi- nets de sorte que les compositions indiquées dans le tableau ci-dessus n'ont été données qu'à titre d'exemple et ne constituent pas des limites à la portée de la présente invention. Composition chimique de Dureté Résistance à Résistance à Résistance à l'alliage (Rockwell) la traction l'usure(') la corrosion(2) (pourcentage en poids) Pb Sn Ni Cu (15-T) (daN/mm2) (mm/10.000 (mg/cm2) _____ ____ ____ cycles)_ _ _ _ _ _ _ _ _ 24 2 - 74 72 18,72 0,0048 0,18 22 2 2 74 73 21,36 0,0039 0,08 2 4 74 75 22,05 0,0027 0,08 Note: Les valeurs indiquées dans le tableau représentent la moyenne des valeurs obtenues au cours de divers essais. (1) Indique la profondeur d'usure après un essai del 0.000 cycles. (2) Indique la perte de masse spécifique (mg/cm2) mesurée au cours des essais, après 5 heures de séjour à 1200C dans une solution d'huile minérale contenant 10% d'acide oléique. REVENDICATIONS 1 - Un alliage pour la couche antifriction de coussinets préparé à partir de l'alliage de cuivre-étain-plomb connu, caractérisé en ce qu'il com- porte l'addition de nickel à l'alliage de base fondu, de façon que les pourcentages en poids des éléments constitutifs soient maintenus à l'intérieur des intervalles suivants: Ni de 2 à 10. o; Pb de 8 à 27%; Sn de 0,5 à 10%; le reste étant du cuivre. 2 - Procédé de fabrication d'une couche antifriction sur une bande d'acier support afin d'obtenir une bande composite utilisée pour la fabrication de coussinets, caractérisé en ce qu'il consiste à fritter sur ladite bande d'acier des particules de poudre métallique obtenues par pulvéri- sation d'un alliage fondu contenant du Ni, du Pb, du Sn et du Cu. 3 - Procédé de fabrication d'une poudre antifriction sur une bande d'acier support selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage précité comprend: de 2 à 10% de Ni; de 8 à 27% de Pb; de 0,5 à 10% de Sn, le reste étant du cuivre.