Brevet FR2512839A1 — publié le 19830318

i Cette invention concerne des améliorations apportées aux alliages d'aluminium convenant pour l'utilisation comme métaux pour coussinets. Les alliages d'aluminium connus jusqu'à présent comme alliages pour coussinets, comprennent, par exemple, les alliages d'aluminium décrits dans la publication de brevet japonais N O 12131/77 (appelée ci-après demande. antérieure) et correspondant à une demande de brevet antérieure à la présente demande de brevet Ils sont de quatre types, à savoir ( 1) les alliages du système Al-Sn-Pb-Sb-Cu, ( 2) les alliages obtenus en ajoutant aux alliages du type ( 1) un métal choisi dans le groupe comprenant Ni, Mn et Si, ( 3) les alliages obtenus en ajoutant 'Ii aux alliages du type ( 1), et ( 4) les alliages obtenus en ajoutant Ti aux alliages du type ( 2) Les alliages fournis par la demande antérieure ont une résistance à l'usure assez élevée et une-compatibilité ou propriété anti-grippage assez bonne, propriétés qui sont des caractéristiques importantes pour les coussinets de glissement Cependant, les progrès faits dans le domaine des moteurs à combustion interne au cours des dernières années ont créé un besoin pour des coussinets glissants de meilleures caractéristiques. L'invention a pour but de fournir des alliages d'aluminium convenant pour l'utilisation comme métaux pour coussinets qui ont une résistance à l'usure supérieure et des propriétés anti-grippage meilleures que les métaux pour coussinets à base d'aluminium fournis par l'art antérieur. L'objectif précédent est obtenu selon l'invention en fournissant des alliages d'aluminium obtenus en ajoutant aux alliages du système Al-Sn-PbCu-Si au moins un élément d'alliage choisi dans le groupe comprenant Mn, V, Cr, Ti, Mg et Ni Plus particulièrement, les alliages selon l'invention sont des alliages pour coussinets à base d'aluminium de résistance à l'usure élevée et de bonnesproprièes anti- grippage, consistant essentiellement, en pourcentage pondéral, de 3 à 40 % d'étain, de 0,1 à 10 % de plomb, de 0,1 à 3 % d'antimoine, de C 0,2 à 5 % de cuivre, de 0,1 à 3 Dû de silicium, de 0,01 à 3 % d'au moins un élément d'alliage choisi dans le groupe comprenant le manganèse, le vanadium, le chrome, le titane, le magnésium et le nickel, le complément étant de l'aluminium et des impuretés accidentelles. Les raisons pour lesquelles les métaux pour coussinets constitués par des alliages d'aluminium selon l'invention ont la composition susmentionnée ou les raisons pour lesquelles les composants des alliages sont utilisés dans les quantités indiquées ci-dessus (par leurs limites supérieures et inférieures) ainsi que les effets obtenus par les alliages en cours de fonctionnement (y compris les effets synergiques obtenus en cours de fonctionnement) seront maintenant décrits ci-après en détail. ( 1) Sn, 3-40 % en poids Cet élément d'alliage permet d'améliorer les propriétés superficielles du matériau pour coussinets formé à partir des alliages de l'invention, comme les capacités d'ennoyage, les propriétés anti-grippage, la compatibilité, etc, et permet à un arbre fait d'un matériau mou de tourillonner sur les coussinets formés du matériau constitué par les alliages selon l'invention Quand Sn est inférieur à 3 %, on ne peut pas obtenir des résultats satisfaisants tandis que, lorsqu'il est supérieur à 40 %, les propriétés mécaniques des alliages sont nettement réduites. ( 2 > Pb, 0,1-10 % en poids Pb contribue à améliorer le matériau pour coussinets en ce qui concerne son affinité avec les huiles, ses propriétés de non-grippage et son usinabilité Dans le cas de cet élément d'alliage, quand la quantité ajoutée est inférieure à 0,1 %, on n'obtient aucun effet bénéfique; quand l'addition est supérieure à 10 %, on rencontre des difficultés à obtenir une répartition uniforme des éléments d'alliage sous forme de fines particules dans la matrice d'aluminium. ( 3) Sb, 0,1-3 % en poids Sb aide à la distribution uniforme de Pb en fines particules dans la matrice des alliages du système Al-Sn-Pb, et a un effet sur l'amélioration des propriétés mécaniques, comme l'allongement, la résistance à la traction, la résistance à la fatigue, etc, de la matrice d'aluminium 12839 des alliages d'aluminium pour métaux pour coussinets Quand la quantité de Sb est inférieure à 0,1 %, on obtient peu d'effet; cependant, quand elle est supérieure à 3 %, les propriétés mécaniques des alliages sont réduites, en particulier l'allongement est réduit et la dureté est accrue, ce qui nuit aux caractéristiques des coussinets Ceci n'est pas indiqué. ( 4) Cu, 0,2-5 % en poids Cet élément est utile pour améliorer les propriétés mécaniques de la matrice d'aluminium, en contribuant ainsi à améliorer la capacité de charge des coussinets et la résistance à l'usure des coussinets formés à partir de cet alliage Cependant, quand la quantité est inférieure à 0,2 %, la résistance à l'usure et la capacité de charge des -coussinets ne sont pas suffisamment améliorées; quand elle dépasse 5 %, la ductilité est nettement réduite et les possibilités de déformation plastique des alliages sont nettement réduites. ( 5) Si, 0,1-3 % en poids Cet élément est ajouté dans le but d'améliorer la résistance à la rupture par fluage et les propriétés anti- grippage de la matrice d'aluminium L'addition de cet élément n'a pratiquement pas d'effet sur le but recherché quand la quantité est inférieure à 0,1 %, qui ne permet pas d'améliorer les propriétés susmentionnées L'addition de l'élément en quantité supérieure à 3 % provoque une réduction de la ductilité et une diminution des propriétés de déformation plastique. ( 6) Au moins un élément choisi dans le groupe consistant en Mn, V, Cr, Ti, Mg et Ni, 0,01-3 % en poids. L'un quelconque de ces éléments a peu d'effet pour améliorer la résistance à l'usure et les propriétés anti- grippage des métaux pour coussinets qui constituent le sujet de la présente invention quand la quantité ajoutée est inférieure à 0,01 %, et les alliages deviennent cassants quand la quantité dépasse 3 % Quand on utilise plus de deux de ces additifs, les quantités optimales peuvent varier selon comment ils coopèrent avec les éléments décrits dans les paragraphes ( 1) à ( 5) ci-dessus en cours de fonctionnement et selon les effets synergiques obtenus Parmi les éléments d'addition particuliers décrits ci-dessus, Ti a l'effet, comme le montre son utilisation dans les alliages fournis par la demande antérieure, de former de fins grains cristallisés quand on l'ajoute aux alliages à raison de 0,01 à 1 %. Il a été trouvé que, quand un ou 7 plus de deux additifs sont utilisés, l'addition peut donner d'excellents résultats si leur quantité est comprise entre 1 et 3 % en poids au total. ( 7) Impuretés accidentelles Les impuretés accidentelles qui peuvent être incorporées dans les alliages au cours du procédé de production comprennent le fer par exemple. On va maintenant décrire l'invention en détail en se référant à un mode de réalisation préféré. EXEMPLE On prépare sous forme de bandes les alliages (échantillons Nos 1 à 15) selon l'invention et -les alliages (échantillons Nos 16 à 24) de la demande antérieure à titre de comparaison, ayant les compositions chimiques indiquées dans le Tableau 1 Les bandes des alliages obtenus sont fixées à un revêtement de bandes d'acier et on les fait passer dans un laminoir pour donner une liaison entre les deux couches de bandes en les comprimant Après application du revêtement sur les bandes liées, on les introduit dans une machine de production de coussinets de façon à préparer des coussinets composites de forme semi-cylindrique (paliers coulissants et paliers plans) dans lesquels les coussinets ont un diamètre interne de 40 mm et une largeur de 17,1 mm et le revêtement a une épaisseur de 0,3 mm. Les Tableaux 2 et 3 montrent les résultats des essais effectués sur ces coussinets composites utilisés dans les essais Le Tableau 2 traite des résultats des essais de fatigue et le Tableau 3 des essais de grippage. Les conditions des essais de fatigue et des essais de grippage données dans les Tableaux 4 et 5 respectivement seront décrites brièvement ci-dessous. Dans les essais de fatigue, on utilise un appareil de mesure de fatigue f charge dynamique avec un nombre de tours de 4000 t/mn, etl échantillons sont soumis aux charges suivantes: au départ la charge initiale est de 295 105 Pa ( 300 kg/cm 2) puis la charge appliquée est augmentée par étapes de 49 105 Pa ( 50 kg/cm 2) après écoulement de 20 heures jusqu'à ce que chaque échantillon présente un signe de fatigue Quand on n'observe pas de signe de fatigue, chaque essai est arrêté avec une charge de 440 105 Pa ( 450 kg/cm 2) qui est la charge finale Les détails des conditions d'essai et l'obtention des résultats d'essai sont donnés dans le Tableau 4. Les essais de grippage sont effectués en utilisant un appareil d'essai de grippage à charge statique avec un nombre de tours de 3000, en partant d'une charge initiale de 295 105 Pa ( 300 kg/cm 2) et l'on augmente la charge par étapes de 49 105 Pa ( 50 kg/cm 2) toutes les dix minutes et l'on effectue les essais jusqu'à obtention du grippage Quand on n'observe aucun signe de grippage, on arrête l'essai avec une charge finale de 590 105 Pa ( 600 kg/cm 2). Les résultats des essais de fatigue du Tableau 2 montrent que l'échantillon No 4 de l'alliage selon l'invention (voir le Tableau 1) obtenu en ajoutant des éléments d'alliage comprenant, 2,5 % en poids de Si, 0,3 t en'poids de Mn, 1,0 Pl de Ni, 0,5 % de V, 0,3 % de Mg et 0,05 % en poids de Ti, à l'échantillon N O 16 de la demande antérieure (voir Tableau 1) a une résistance à la fatigue nettement améliorée en raison des effets synergiques fournis par les éléments d'alliage susmentionnés; en effet on n'observe aucun signe de fatigue quand on applique une charge de 440 105 Pa ( 450 kg/cm 2) aux coussinets L'échantillon N O 16 de la demande antérieure présente des signes de fatigue quand on applique une charge de 390 105 Pa ( 400 kg/cm 2) L'analyse des résultats des essais de grippage du Tableau 3 montre que, alors que l'échantillon N O 16 de la demande antérieure présente un grippage quand Cl' applique une charge de 295 105 1 a ( 300 kg/cm 2), c'est seulement après qu'une charge de 390 i 35 Pa ( 400 kg/cm 2), supérieure de 95 105 Pa ( 100 kg/cm 2) à la charge de 295 10 Pa, a été appliquée que l'échantillon N' 4 de l'alliage selon la présente invention présente un grippage. Une étude des résultats des essais de fatigue du Tableau 2 montre que l'échantillon No 5 de l'alliage selon l'invention (voir Tableau 1) obtenu en ajoutant des éléments d'alliage, à savoir en pourcentage pondéral, 2,5 % de Si, 0,3 % de Mn, 1,0 % de Ni, et 0,3 % de chacun de V, Mg et Cr à l'échantillon N O 16 de la demande antérieure (voir Tableau 1) a une résistance à la fatigue nettement améliorée en raison des effets synergiques fournis par les éléments d'alliage susmentionnés Aucun signe de fatigue n'est observé quand on applique une charge de 440 105 Pa ( 450 kg/cm 2). L'échantillon N O 16 de la demande antérieure présente des signes de fatigue quand on applique une charge de 390 105 Pa ( 400 kg/cm 2). L'analyse des résultats des essais de grippage du Tableau 3 montre que, alors qu'un grippage se produit avec application d'une charge de 295 105 Pa ( 300 kg/cm 2) sur l'échantillon No 16 de la demande antérieure, le grippage se produit sur l'échantillon N O 5 selon l'invention seulement après une charge de 440 105 Pa ( 450 kg/cm 2), charge supérieure de 145 10 Pa ( 150 kg/cm 2) à la charge de 295 105 Pa. Les résultats des essais de fatigue du Tableau 2 montrent que l'échantillon No 8 de l'alliage selon l'invention obtenu en ajoutant des éléments d'alliage, comprenant en pourcentage pondérai, 0,5 % de chacun de Ni, V et Mg et 0,05 % de Ti à l'échantillon No 22 de la demande antérieure présente une fatigue seulement après application d'une charge de 390 105 Pa ( 400 kg/cm 2) en raison des effets synergiques des éléments d'alliage On voit également que l'échantillon N O 22 de la demande antérieure présente des signes de fatigue quand on applique une charge de 345 10 Pa ( 350 kg/cm 2). L'étude des résultats des essais de grippage du Tableau 3 montre que, alors que l'échantillon N O 22 de la demande antérieure présente un grippage quand on applique une charge de 440 105 Pa ( 450 kg/cm 2), c'est seulement après application d'une charge de 540 105 Pa ( 550 kg/cm 2) supérieure de 100 105 Pa à la charge précédente, que l'échantillon No 8 de l'alliage selon l'invention présente un grippage. L'échantillon No 11 de l'alliage selon l'invention obtenu en ajoutant les éléments d'alliage suivants, en pourcentage pondéral: 2,5 % de Si et 0,5 % de Mn; à l'échantillon N O 23 de la demande antérieure présente une fatigue seulement après application d'une charge de 345 10 Pa ( 350 kg/cm 2) en raison des effets synergiques des éléments d'alliage On observe des signes de fatigue dans l'échantillon N O 23 de l'alliage de la demande antérieure quand on applique une charge de 295 105 Pa ( 300 kg/cm 2). Selon les résultats des essais de grippage du Tableau 3, un grippage se produit avec l'échantillon No 23 de la demande antérieure seulement quand on applique une charge de 540 105 Pa Cependant c'est seulement après - application d'une charge de 590 105 Pa, supérieure de 50 105 Pa à la charge précédente, qu'un grippage se produit dans l'échantillon No 11 de l'alliage selon l'invention. L'échantillon N O 15 de l'alliage selon l'invention obtenu en ajoutant à l'échantillon N O 24 de la demande antérieure, en pourcentage pondéral, 4, 0 % de plomb pour augmenter la quantité de plomb dans l'alliage jusqu'à un total de 9,0 % et des éléments d'alliage comprenant, en pourcentage pondéral, 2,5 % de Si, 0,3 % de Mn, 1,0 % de Ni et 0,3 % de chacun de V, Ma et Cr, présente des signes de fatigue quand on applique une charge de 295 105 Pa et a la même valeur de la résistance à la fatigue que l'échantillon N O 24 de la demande antérieure Cependant, selon les résultats des essais de grippage du Tableau 3, le grippage se produit dans - l'échantillon N' 24 de la demande antérieure quand on applique une charge de 540 105 Pa alors que l'échantillon N O 15 de l'alliage selon l'invention ne présente pas de signe de grippage même quand on applique une charge de 590 105 Pa supérieure de 50 105 Pa à la charge précédente, et présente seulement une déformation (fluage), ce qui indique une amélioration des propriétés anti-grippage. Ce qui est plus intéressant de noter dans les résultats des essais des Tableaux 1 à 3 est que l'échantillon No 1 de l'alliage selon l'invention obtenu en ajoutant 3,0 % en poids de cuivre à l'échantillon N'16 de la demande antérieure pour augmenter la quantité de cuivre jusqu'à un total de 4,0 %, en ramenant la quantité de plomb à 0,1 % (c'est-à-dire en enlevant 0,9 % de 1,0 %) en ajoutant 0,5 % en poids de Si et en ajoutant en outre 0,5 % en poids de Mn qui est l'un des éléments d'alliage spécifique selon l'invention, présente une résistance à la fatigue améliorée. Il ne présente pas de signes de fatigue même quand on applique une charge de 440 105 Pa Par ailleurs l'échantillon N O 16 de la demande antérieureprésente des signes de fatigue quand on applique une charge de 390 105 Pa. Les résultats des essais de grippage montrent également que, alors qu'un grippage se produit dans l'échantillon N O 16 de la demande antérieure quand on applique une charge de 295 105 Pa, c'est seulement après application d'une charge de 345 105 Pa que l'échantillon N O 1 de l'alliage selon l'invention présente un grippage. On verra d'après la description précédente que les alliages selon l'invention ont une résistance à l'usure et des propriétés anti-grippage nettement améliorées par rapport aux alliages de la demande antérieure On voit donc que les objectifs de l'invention peuvent être obtenus en utilisant les alliages selon la présente invention. Echant Composition chimique (% en poids) Alliages No Al et Sb Cu Si Mn Ni V Mg Cr Ti impuretés 2 6 0,1 015 310 285 Of 5 082 3 6 0,5 O r 5410 1,5 015 O e 5Oj 5 - 4 6 1, O O r 51 1 O2 5 093 1 O OO 9 5O P 3 O O 5 6 1 O O0) 5 1) O2 5 013 1 f O013 013 O P 3 6 1 7 2 eo 2 O 3 t O2 8 5O j 5 7 1 7 3,0 210 3 l O2 O 5 O 8 5 8 17 3,0 200 110 215 0,5 085 0,5 O 05 9 17 4,0 2 PO 1 PO 2; 50,3 180 095 013 - 17 5 O 2 t Ole O 2 f 50#3 1,0 083 0#3 013 il 30 4#0 2 à 51 O 2 5 0,5 12 35 6 e O2 ? 5IJIO 2,5 095 092 095 13 35 7 e O215 lio 005 ors Olf 5015 - TABLEAU 1 015 Complément 0,1 0 t 5 1410 0#5 Alliaqes de la" présente invention r% 3 .P. r%) Co Lq 1 O 1 1 14 1 35 1 8, O 1 3, O 1 1, O 1 2,,5 1 0, 3 1 1, O 1 0, 5 1 0, 3 1 1 I Complément 17 17 3 # O 2 g O1) O 18 17 310 2,0 1,0 iro 19 17 1 3 8 O2 l O 1 il O 1 0, 3 17 380 2 fo 1)0 2#5 21 17 3#0 2 t O1 O O 05 22 17 1 3 ro 1 2,ro1 O 215 Of O 5 23 L 4#0 ' 2 - TABLEAU 1 (suite) 1.5 9 O O 1 3 ir O 1 f O 01 3 0 9 3 01 3 il il 1 j O 0, 5 Alliages ' de la demande antérieure qn 5910 1 3, O il 1#0 r J VI rlo Co (A %O TABLEAU 2 Résultats des essais de fatique Alliages Echant Chare (Pa No ______________________Char ge (Pa) 295 105 345 105 390 105 440 105 Alliages de la présente invention Fatigue il Pas de fatigue il il et il Fatigue Ii il lt I Fatigue Fatigue I. Go en oo Co TABLEAU 2 (suite) 13 > Fatigue 14) Fatigue 16 > Fatique 17 >Fatigue 18 > Fatigue 19 >" Alliaqes 9 de la 20 > Fatigue demande 2. antérieure 21 23 Fatigue 24 Fatigue un "o TABLEAU 3 Echant Résultats des essais de grippage Alliages No Charqe (Pa) 1 295 105 345 1 05 390 1 05 440 105 490 105 540 105 59 o 1 05 Alliages de la présente invention ____ ____{ Grippage j -'1 Grippage I I Grippage Grippage I ripg i t -71 Grippage il 1 il q Grippage si il _ _i _ Il _ _ t _ 1 _ i _ w (il N j Grippage i M-Grippage Grippage Grippage -1 Grippage Grippage :i T_ 1 _ILJ Grippi le Pas de grippage Déformation d'alliage ge J _ _ _ _ _ _ L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J _ _ _ i _ _ _ _ _ _ r N) u.I M' J 1 1 12839 TABLEAU 4 Condition des essais de fatigue Appareil d'essai Nombre de tours Durée de l'essai Vitesse périphérique Température de l'huile d'alimentation Pression de l'huile d'alimentation Lubrifiant Angle de l'huile d'alimentation Evaluation des résultats d'essai Appareil de mesure de fatigue à charge dynamique 4000 tours par minute heures 8,4 m/s 1200 C 3,0 bars Huile de moteur de distillation directe N' 20 Angle d'avancement 36 degrés On décide que les échantillons présentent une fatigue quand plus de 5 % de la superficie du coussinet présentent des signes de fatigue TABLEAU 5 Condition des essais de grippage Appareil d'essai Nombre de tours Durée d'essai Vitesse périphérique Température de l'huile d'alimentation Débit de l'huile d'alimentation Lubrifiant Jeu de l'huile Evaluation des résultats d'essai Appareil de mesure de grippage à charge statique 2000 tours par minute Chaque charge est appliquée pendant 10 minutes, la charge étant augmentée de 49 105 Pa à chaque étape 4,2 m/s C ml/mn Huile de moteur de distillation directe N O 20 0,04 0,06 mm On décide que les échantillons présentent un grippage quand la température du palier à la surface opposée dépasse 200 'C ou quand le moteur présente une surcharge REVENDICATION Alliage à base d'aluminium pouvant être utilisé comme matériau pour coussinets ayant une résistance à l'usure et des propriétés anti-grippage améliorées, consistant essentiellement, en pourcentages pondéraux, en 340 % de Sn, 0,1-10 % de Pb, 0,1-3 % de Sb, 0,2-5 % de Cu, 0,1-3 % de Si, 0,01-3 % d'au moins un élément d'alliage choisi dans le groupe consistant en Mn, V, Cr, Ti, Mg et Ni, le complément étant de l'aluminium et des impuretés accidentelles.